[实用新型]一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜

说明书

本实用新型公开了一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜，所述透镜包括负折射光栅和闪耀阶梯，所述负折射光栅由高度相等、半径从内到外逐渐递增的同心环阶梯组成，所述闪耀阶梯由设在所述同心环阶梯表面的环形锥组成；本实用新型结构简单易设计，材料获取容易，当光从底部垂直进入结构时，在结构出射表面发生衍射，将光有效的聚焦在所预设的焦点处，有效的利用了光能，具有极强的聚焦效果。

技术领域

本实用新型涉及一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜，属于人工微结构材料集成光学技术领域。

背景技术

随着科学加工技术的发展，现今已经可以加工出尺寸小到纳米量级的材料，而这些材料具有很多其在宏观尺度下所不具有的特殊效应，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应和宏观量子隧道效应等等，因而在通信、生物医学、传感和存储等领域具有广阔的应用前景。人工微结构材料是指对微纳尺度范围的材料进行结构上的设计和整合来实现对电磁波的灵活调控、得到一些新颖的光学特性，是目前光学与多学科前沿交叉领域的研究热点。

相比于标量光束，偏振态空间非均匀分布的矢量光束在时空演化和与物质的相互作用方面蕴含着更丰富的物理效应。其中柱矢量光束(CVB)的偏振态在空间沿着轴向呈柱对称分布，这种独特的偏振态分布特性和相关的物理效应吸引了广大科研工作者的研究，其在光学微操纵、单分子成像、超分辨显微、微加工等多个领域均有重要应用。

利用传统透镜，可实现径向偏振光的紧聚焦。随着研究的深入，CVB的调控手段逐渐丰富，其中亚波长尺度的聚焦，多利用等离激元透镜。Gilad M.Lerman等人在题为《Demonstration of Nanofocusing by the use of Plasmonic Lens Illuminated withRadially Polarized Light》的文章中实验验证了等离激元透镜对径向偏振光的聚焦，见NANO LETTERS第9卷第5期第2139-2143页的记载，但是等离激元是倏逝波的一种耦合模式，无法传播很远的距离，只能实现在透镜表面附近的聚焦，且由于等离激元激发的偏振依赖条件使得其对于CVB的亚波长聚焦局限在径向偏振光情况。

除了之外，传统的抛物面镜通过对波前的变换使得光束向着同一个方向会聚，也可以径向偏振光的深度紧聚焦，但是其反射聚焦的方法存在一定缺点，入射场和聚焦场位于抛物面镜的同侧，难以实现有效的应用。2018年ji xu提出了一种焦距可控的负折射光栅平凹透镜的设计方法，可以对径向偏振光和旋向偏振光进行亚波长尺寸的紧聚焦。由于此种负折射平凹透镜对偏振光的聚焦效果并不是十分理想，因此针对此种负折射光栅平凹透镜的结构，提出了一种能够增强聚焦效果的闪耀型负折射光栅透镜。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜。

一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜，所述透镜包括负折射光栅和闪耀阶梯，所述负折射光栅由高度相等、半径从内到外逐渐递增的同心环阶梯组成，所述闪耀阶梯由设在所述同心环阶梯表面的环形锥组成；

当径向偏振光从底部垂直入射到所述透镜内部时，径向偏振光在每一级同心环阶梯的表面发生衍射，所述闪耀阶梯可以改变阶梯表面出射的径向偏振光的衍射级次，使负一级衍射光聚焦到预定的焦点位置，增强能量的利用效率，从而使所述透镜实现亚波长尺寸的聚焦。

优选的，所述同心环阶梯的阶梯顶点坐标r_n满足；其中：n₀为空气折射率，n_eff为等效负折射率，z_n为同心环阶梯到底面的垂直高度nd，f为预定的焦点位置。

优选的，所述等效负折射率满足n_eff＝n_g-λ/d，n_g为氮化镓的折射率，其折射率为2.67，通过计算得出等效负折射率n_eff＝-1.067,其中：λ为聚焦的光波长562nm，d为同心环阶梯单层高度150nm。