[发明专利]一种焦距可控的闪耀型负折射光栅透镜及其设计方法

说明书

本发明公开了一种焦距可控的闪耀型负折射光栅透镜及其设计方法，所述负折射闪耀光栅透镜是柱对称结构，包括负折射光栅平凹镜和闪耀阶梯两部分结构，该设计方法包括以下步骤：选择负折射光栅平凹镜的结构参数；计算等效负折射率；计算负折射光栅平凹镜的形貌结构；确定环形棱锥的形貌结构；得到能够实现强聚焦的闪耀型负折射光栅透镜。该方法可实现对预设焦距的灵活调控，实现了入射光线和出射光线在法线同侧的聚焦效应，增强能量的利用效率，使得电磁波的能量更加集中。

技术领域

本发明涉及光学微操控技术领域，具体涉及一种焦距可控的闪耀型负折射光栅透镜及其设计方法。

背景技术：

人工微结构是现在光学领域研究的热点，它可以实现宏观结构所不具有的一些效果，如粒子加速、单分子成像、小尺寸效应和量子隧道效应等，因而在通信、生物医学、光学成像和光刻等领域具有广阔的应用前景。传统的抛物面镜是通过对波前的相位变换使得光束向着同一个方向会聚，但是其反射聚焦的方法存在一定缺点，形成的焦点与入射光位于抛物面的同侧，入射光和反射光之间会有相互影响，这就限制了焦场的使用范围和聚焦效果，另外传统透镜只能在近轴条件下才能实现理想聚焦，并且对于光线的偏振态有一定的要求。继续讨论一种焦距可控的负折射光栅平凹镜，该负折射光栅平凹镜可以对径向偏振光和旋向偏振光进行亚波长尺度的紧聚焦，线偏光情况也同样适用。由于此种负折射负折射光栅平凹镜对偏振光的聚焦效果并不是十分的理想，因此针对此种负折射光栅平凹镜的结构，提出了一种能够增强聚焦效果的闪耀型负折射光栅透镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦距可控的闪耀型负折射光栅透镜及其设计方法，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

一种焦距可控的闪耀型负折射光栅透镜及其设计方法，所述负折射光栅平凹镜结构可通过以下方法确定：

S1：选择负折射光栅平凹镜的结构参数

选择需要的工作波长为λ₀，介质折射率为n，单层同心环阶梯高度为d_⊥，以及负折射光栅平凹镜预设焦距f。

S2：计算等效负折射利率

以入射光垂直入射为前提，根据S1步骤中确定的工作波长λ₀，材料折射率n和单层同心环阶梯高度为d_⊥，得到等效的负折射率n_eff。等效负折射率由n_eff满足：

n_eff＝n-λ₀/d_⊥

S3:计算负折射光栅平凹镜的形貌结构

根据S2步骤中所获得的等效负折射率n_eff的大小，结合预设焦距f，通过设计负折射光栅平凹镜每一个同心环阶梯顶点的位置r_k，得到能够对特定波长的电磁波实现预设焦距聚焦的负折射光栅平凹镜；

负折射光栅平凹镜每一个同心环阶梯顶点的位置坐标r_k由下式决定，其中z_k与k的关系为z₁＝d_⊥,z₂＝2d_⊥,z₃＝3d_⊥,...,z_k＝kd_⊥，每一个z_k都有与之对应的r_k：

其中，n₀表示真空折射率，z_k表示k层光栅的总高度，且z_k＝kd_⊥，k为大于零的整数，f为预设焦距，n_eff为负折射光栅平凹镜等效负折射率。

所述闪耀阶梯结构可以通过以下方法确定：