[实用新型]一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜

说明书

技术领域

本实用新型属于光存储领域，尤其涉及一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜。

背景技术

在光盘存储和读取、纳米加工等激光的应用中，需要将入射激光光束聚焦成一个足够小的光点。一束平面波经凸透镜后将被调制为会聚球面波，理想情况下将会聚成一个光点。然而，会聚光束在会聚过程中，聚焦光斑减小到一定程度后将不再减小。这是因为在光束聚焦过程中，角向波矢k_θ不断增大，当其超过真空中波矢k₀时将成为倏逝波，倏逝波不能到达聚焦点，造成光束中高频成分的丢失。依据测不准原理ΔxΔk＝2π，设聚焦透镜的数值孔径为NA，则其能够传递的最大波矢带宽Δk为2k₀NA，因此最小光斑尺寸Δx＝λ₀/2NA，其中，λ₀为工作波长，该公式即为光学系统的衍射受限公式。围绕上述衍射受限公式，业内普遍采用缩短工作波长λ₀和提高数值孔径NA来实现更小聚焦光斑，例如，采用浸没技术、或设计更大相对孔径的光学系统等。采用上述方法虽然可以减小聚焦光斑尺寸，但是无法实现超分辨率聚焦。

目前，学术界对超分辨率聚焦的实现提出了不同的方法：

1)采用特殊结构的纳米波导压缩光斑，该方法虽然在理论上可以将聚焦光斑压缩至几十个纳米，但所要求的波导构造复杂，尺寸又很小，因此可操作性并不是很强^[1-3]；

2)利用微纳结构来约束光斑，该类方法的实现需要设计一套复杂的微纳结构对表面等离子体波进行控制，在光束对准、模式匹配方面要求也较为严格，因此实现起来有一定难度^[4-5]。

文中涉及的参考文献如下：

[1]E.Verhagen et.al.，“Nanofocusing in laterally tapered plasmonic waveguides，”Opt.Express，16(1)，45-57，(2008)

[2]R.Yang et.al.，“Efficiently squeezing near infrared light into a 21nm-by-24nm nanospot，”Opt.Express，16(24)，20143-20148，(2008)

[3]M.I.Stockman，“Nanofocusing of Optical Energy in Tapered Plasmonic Waveguides，”Phys.Rev.Lett.，93，137404(2004)

[4]F.M.Huang，and N.I.Zheludev，“Super-resolution without evanescent waves，”Nano Lett.，9(3)，1249-1254(2009)

[5]X.Wei，et.al.，“Nanofabrication with controllable localization energy based on the interference modulation of surface plasmons，”Opt.Express，16(19)，14404-14410(2008)

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型从光束聚焦原理出发，提供了一种结构简单、设计灵活、易于实现、高度集成的、基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜，由前表面和后表面所构成，其前表面为椭球面面型，后表面为平面结构，聚焦平凸透镜内部、后表面附近填充有金属和电介质，金属和电介质交替排布构成同心圆弧结构，同心圆弧结构最外层材料为金属，每层材料厚度相等、且小于λ₀/10，λ₀为工作波长；所述的同心圆弧圆心与聚焦平凸透镜前表面的聚焦点重合。

在工作波长下，上述金属和电介质的介电常数的绝对值大致相等，作为优选，金属为银，电介质为三氧化二铝。

为了避免聚焦能量的损失，上述同心圆弧结构的外径其中，λ₀为工作波长，n为聚焦平凸透镜材料折射率，θ为聚焦平凸透镜的孔径角。