[发明专利]一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件

说明书

本发明提出了一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，包括纵向布置的硅球和光子晶体；硅球放置在光子晶体的底边的下方；硅球的下方放置光源；光源输出的光线入射到硅球下表面，经过硅球的一次亚波长成像后，在硅球的上表面形成亚波长聚焦光斑，亚波长聚焦光斑向外扩散，依次从光子晶体的底边和斜边经过负折射后，负折射光束汇聚到光子晶体斜边外的一点，形成亚波长成像点。本发明基于硅球与光子晶体负折射效应的亚波长成像组合器件主要是光子晶体和硅球的参数设置，可得到半宽小于0.3λ的亚波长成像。整个器件体积小巧，固定该器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置，操作简单且性能稳定可靠。

技术领域

本发明涉及光学成像器件领域，尤其涉及一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件。

背景技术

1968年，前苏联科学家VG Veselago预测了介质的介电常数ε和磁导率μ均小于0的人工材料。基于这种负折射材料，Pendry提出了超透镜理论。这种完美透镜在微波段演示了亚波长聚焦效应，而作为最常用的负折射材料之一的光子晶体在红外光波段也已经可以实现焦斑半径小于半个波长的亚波长成像。目前，很多关于实现亚波长成像的研究都朝着更小半宽和远场成像两个方向进行。然而绝大多数只能在近场实现最小半宽为0.4λ以上的亚波长成像。Gou等人指出在一定折射率范围内的微米球由于其自身固有的正球差和接近波长的通光孔径而产生的负球差可以相互抵消。在近似的零球差和高数值孔径的作用下，进平行光照射能够得到最小宽度为1/3λ的亚波长聚焦光斑，但光斑离球面太近无法用于光刻等实际应用，即存在应用困难的缺陷。

因此，由上述可知，现有技术中的各种实现亚波长的系统存在半宽过大、应用困难的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，解决了现有技术中存在的缺陷，其半宽小于1/3λ，结构简单、适用于特定的亚波长成像系统。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，包括纵向布置的硅球和光子晶体；所述硅球放置在所述光子晶体底边的一侧；

其中，所述光子晶体的底边经过边缘切除处理；所述光子晶体的斜边上设置多个等周期的光栅；

所述光子晶体基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除底边边缘空气孔半径的5％～35％，光子晶体晶格常数0.482μm；空气孔半径0.17593μm；入射波长1.54μm≤λ≤1.62μm；

所述硅球远离光子晶体的一侧放置光源；所述光源输出的平行光线入射至所述硅球的下表面，经过所述硅球的一次亚波长成像后，在所述硅球的上表面形成亚波长聚焦光斑，所述亚波长聚焦光斑向外扩散，并依次从所述光子晶体的底边和斜边经过负折射后汇聚到光子晶体斜边外的一点，形成亚波长成像点。

优选地，靠近底边的光栅与所述底边和斜边交点处的距离范围为0.07μm～0.29μm；

所述光栅的内端口的宽度0.342μm；

所述光栅的外端口的宽度0.376μm；

所述内端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.246μm；

所述外端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.464μm。

优选地，所述空气孔形成空气柱；所述空气柱按照六边形晶格周期性排列。

优选地，所述周期为0.482μm。

优选地，所述硅球的折射率为3.4，曲率半径范围0.468～0.54或-0.468～-0.54；所述硅球上表面与所述底边的最小距离为0.2μm～1μm；所述硅球的中心与所述尖角的水平距离1.5μm～4μm。