[实用新型]一种高效率衍射透镜

说明书

技术领域

本实用新型涉及衍射透镜技术领域，特别是指一种高效率衍射透镜。

背景技术

衍射光学元件具有体积小、重量轻、制造成本低、较高的衍射效率、特殊的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等独特的优势，是微型光学系统中的重要组成部分，也在激光束聚焦、光耦合、波前复用、光学传感、光存储等诸多领域中有广泛的应用前景。

现有技术中，在设计衍射透镜时，通常采用等高模型设计，即将折射透镜中超过2π相位的部分去掉，形成最大相位差为2π的常规衍射透镜。如图1所示，为常规衍射透镜的透镜面边界示意图，其中x轴和y轴方向如图所示，z轴垂直于x-y平面，z轴正方向定义为垂直于x-y平面向外，虚线代表折射透镜的边界，实线代表常规衍射透镜的边界，所述常规衍射透镜可认为由所述折射透镜中去除超过2π相位的部分得到。所述常规衍射透镜的孔径为D，关于y轴对称，且在z轴方向为任意长度。所述常规衍射透镜的边界将整个空间分成了上下两个部分：上半部分为折射率为n₁的电介质，下半部分为折射率为n₂的另一种电介质，波长为λ的TE(Transverse Electro waves，电场的振动方向垂直于波传播方向的电磁波)偏振的平面波沿-y轴方向入射到所述常规衍射透镜的边界上，经过所述常规衍射透镜的边界的相位调制后，聚焦于y轴上的一点(0，-f)，其中f表示透镜的预定焦距。

根据现有技术，可以得出常规衍射透镜在第m个菲涅耳区内的边界高度h^F(x)为：

h^F(x)＝Mod[h^r(x)，Δh]＝h^r(x)-|m|Δh，m＝0，±1，±2，...

其中，第0个菲涅耳区为中央菲涅耳区，第1和第-1个菲涅耳区分别为中央菲涅耳区右侧和左侧的第一个菲涅耳区，依次类推；Mos[A，B]＝A-Int[A/B]×B表示取余函数；Int[A/B]表示取整函数，A和B均为整数；m表示在-D/2≤x≤D/2内菲涅耳区的序数，对应于波长为λ的入射光在2π相位时的调制厚度；h^r(x)为折射透镜的边界高度，可表示为：

所述常规衍射透镜的第m个菲涅耳区跳变位置处的横坐标可表示为：

可以看出，常规衍射透镜在每个菲涅耳区内的最大高度相等。尽管对于平行于光轴的平面波来说，相邻菲涅耳区之间的跳变高度对应2π的相位差，但是对于焦点来说，相邻菲涅耳区之间的跳变相位差就不再是2π，这种按照传统的等高模型设计衍射透镜在焦点处将不能形成最佳的干涉叠加效应。特别地，对于焦距越小的透镜，由于傍轴近似不再成立，菲涅耳区的数目很多，衍射透镜的聚焦性能将急剧下降。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种高效率衍射透镜，能够在聚焦位置处产生严格的干涉叠加效应，具有比现有的衍射透镜更高的聚焦效率和聚焦分辨率。

基于上述目的本实用新型提供的一种高效率衍射透镜，包含透镜面和透镜体，所述透镜面由多个菲涅耳区构成，所述菲涅耳区的高度按照从中心到边缘的顺序依次降低，所述菲涅耳区的宽度按照从中心到边缘的顺序依次减少，相邻的两个所述菲涅耳区之间的跳变相位差为2π。

可选地，所述一种高效率衍射透镜为柱状菲涅耳透镜，所述一种高效率衍射透镜的透镜面由多个左右对称的菲涅耳区构成，所述一种高效率衍射透镜在第m个菲涅耳区内横坐标为x的位置的边界高度h^m(x)满足：

其中，n₁为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n₂为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长；所述一种高效率衍射透镜的第m个菲涅耳区的跳变点的位置满足：

其中，n₁为所述一种高效率衍射透镜的折射率，n₂为所述一种高效率衍射透镜外的电介质材料的折射率，f为预定焦距，λ为入射光波长。

可选地，所述一种高效率衍射透镜为圆形菲涅耳透镜，所述一种高效率衍射透镜的透镜面由一系列共圆心的圆环状菲涅耳区构成，所述一种高效率衍射透镜在第m个菲涅耳区内横坐标为x的位置的边界高度h^m(r)满足：