一種多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件的制作方法
【專利摘要】一種多值相位?二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，包括基底、介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元、金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元，其采用多值相位調(diào)控的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和二值振幅調(diào)控的金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度決定出射光的相位，金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度決定出射光的振幅，通過改變介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓環(huán)的厚度實(shí)現(xiàn)多值相位調(diào)控和二值振幅調(diào)控；利用介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元形成空間平面同心圓環(huán)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚焦所需的聚焦器件透射函數(shù)振幅相位空間分布，從而實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚焦功能，并提高遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚焦性能，減小遠(yuǎn)場超衍射聚焦焦斑、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大視場范圍。
【專利說明】
-種多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光聚焦、光成像領(lǐng)域，特別是設(shè)及多值相位-二值振幅調(diào)控遠(yuǎn)場超衍射 聚焦器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于常規(guī)的微透鏡而言，雖然采用了各種相位結(jié)構(gòu)，但仍未能突破衍射極限。對于 遠(yuǎn)場超衍射聚焦器件，通常采用二值振幅調(diào)控或準(zhǔn)連續(xù)振幅調(diào)控，往往不能實(shí)現(xiàn)較好的聚 焦性能，其聚焦效率低、旁瓣強(qiáng)度過大嚴(yán)重限制了超衍射器件的發(fā)展。遠(yuǎn)場超衍射聚焦是光 波發(fā)生精確干設(shè)的結(jié)果，因此在超衍射器件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，在器件透射率函數(shù)中引入相位 調(diào)控是非常必要的?；诙嘀迪辔?二值振幅調(diào)控的亞波長結(jié)構(gòu)可顯著改善聚焦器件的聚 焦性能，如:減小遠(yuǎn)場超衍射聚焦焦斑、提高效率、抑制旁瓣、增大視場范圍等。
[0003] (1)對于振幅調(diào)控，目前主要是通過狹縫或者小孔實(shí)現(xiàn)簡單的透光和不透光兩種 模式的控制，開口（孔或狹縫)的地方透光，不開口（孔或狹縫)的地方不透光，也就是二值(0 或1)振幅調(diào)控;相關(guān)文獻(xiàn)有：
[0004] 參 T-LiuJJan, J.Liu,and H.Wang, "Vectorial design of super-oscillatoiy lens ,''Opt .Express ,Vol. 21 ,pp. 15090-15101(2013).
[0005] 參E.T.F.Rogers,J.Lindberg,T. Roy ,S.Savo,J.E. Chad,M.R. Dennis , and N.I.Zheludev, ('A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging/'Nat.Mater.Vol.11,pp.432-435(2012).
[0006] 參V.V.Kotlyar'S.S.Stafeev,Y.Liu,L.O'F'aolain,and A.A.Kovalev,"Analysis ofthe shape of a subwavelength focal spot for the linearly polarized light," Appl.Opt.Vol.52,pp.330-339(2013).
[0007] (2)根據(jù)現(xiàn)有的二值(0或I)振幅調(diào)控超衍射聚焦器件的聚焦性能來看，分兩種情 況：一是焦斑附近旁瓣很大（如文獻(xiàn):E. T. F. Rogers, J 丄in化erg, T. Roy, S. Savo, J. E. Chad， M.R.Dennis,and N.I.Zheludev,"A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging,"Nat.Mater.Vol. 11 ,pp.432-435(2012).)，二是通過將大的旁瓣 外推，在主瓣半寬為0.48A的情況下，有效視場為(-90、+90A)(如文獻(xiàn):Edward T F Rogers and Nikolay I Zheludev，（'Optical super-oscillations : sub-wavelength light focusing 曰nd super-resolution im曰ging"J.Opt.15,pp.094008(2013))。
[000引（3)對于準(zhǔn)連續(xù)振幅調(diào)控，目前可W通過改變亞波長金屬狹縫的寬度實(shí)現(xiàn)振幅0-1 范圍內(nèi)的準(zhǔn)連續(xù)變化；相關(guān)文獻(xiàn)如：Gang Qien*,化yan Li,Xianyou Wang,Zhongquan Wen, Feng Lin,Luru Dai,LiChen,Yinghu He ,Sheng Liu,Super-osciIIation Far-Field Focusing Lens based on Ultra-thin Width-varied Metallic Slit Array, IEEE Photonics Technology Letters,28(3),pp335-338,20160

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多值相位-二值振幅的超衍射空 屯、光環(huán)聚焦器件，其是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán) 聚焦器件，采用多值相位調(diào)控的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和二值振幅調(diào)控的金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，通過改變 介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓環(huán)的厚度實(shí)現(xiàn)多值相位調(diào)控和二值振幅調(diào)控;利用介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓環(huán) 結(jié)構(gòu)單元形成空間平面同屯、圓環(huán)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦所需的聚焦 器件透射函數(shù)振幅相位空間分布，從而實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán) 聚焦。
[0010]本發(fā)明通過W下技術(shù)方案來加從實(shí)現(xiàn)：
[0011] -種多值相位-二值振幅的超衍射空屯、光環(huán)聚焦器件，包括基底、介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單 元和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元。
[0012] 所述基底是一塊具有一定厚度的介質(zhì)材料，上下表面平行，對入射光波長A透明， 具有較高的透射率。
[0013] 所述介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元是位于基底上的中屯、半徑為ri(i表示從中屯、向外第i個同 屯、環(huán)）、寬度為W、厚度為t的介質(zhì)圓環(huán)，對入射光波長A透明。介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元在基底上同 屯、分布N個，對于給定的入射光波長A，通過改變各個介質(zhì)圓環(huán)厚度t來控制出射光相位口陽。 此處，每個介質(zhì)圓環(huán)的厚度t為m+巧巾可能值中之一，對應(yīng)的m+巧巾可能值分別為0,hi,h2,…， hm-l和hm(0<lu<h2 , ，與之相對應(yīng)的出射光相位例貨分別為0 ,目1 ,目2 ,…，目m-l,目m(0< 01<02，<???<0m-l<0m)。其中，根據(jù)出射光相位如t)的需要，介質(zhì)圓環(huán)的厚度t也可W為O，即在此 基底位置不設(shè)置介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元。
[0014] 所述金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元是位于介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)上方緊貼介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的、中屯、半徑 為ri(i表示從中屯、向外第i個同屯、環(huán)）、寬度為W、厚度為S的金屬膜。對于給定的入射光波長 入，該圓環(huán)金屬膜不透光，其對入射光的振幅透射率為a(S)，通過不設(shè)圓環(huán)金屬膜(即厚度為 0)和設(shè)置厚度為A的圓環(huán)金屬膜，分別實(shí)現(xiàn)入射光透射率為1和0兩種情形。
[0015] 兩個緊貼的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成一個介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元 結(jié)構(gòu)，N個同屯、的所述介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)形結(jié)構(gòu)陣列，其中N 為整數(shù)，第i個介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)的中屯、半徑為ri，介質(zhì)圓環(huán)的厚度為ti，金屬膜的厚 度為Si。所述陣列中包含有金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元厚度為0,和介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元與金屬圓環(huán)結(jié) 構(gòu)單元厚度均為0的情況。對于給定的聚焦器件相位空間分布4(^)，〇《4片1)《0。，通過介 質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)相位餅句與介質(zhì)厚度t的關(guān)系，確定第i個介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度ti;對于給定的聚 焦器件振幅空間分布A(r〇，A(ri)為0或1，通過入射光透射率a(S)與金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度S的 關(guān)系，確定第i個金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度Si,由此采用相應(yīng)的介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦所需的相位空間分布iKrO和振幅空間分布A(r〇,從 而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦功能。
[0016] 所述聚焦器件的入射光為波長為A的角向偏振光，光束從基底一端垂直入射，入射 光束截面與聚焦器件同屯、、同軸，聚焦焦斑為一空屯、光環(huán)，空屯、光環(huán)強(qiáng)度內(nèi)徑半高寬小于光 學(xué)衍射極限0.5VNA，其中NA為聚焦器件的數(shù)值孔徑，NA = n〇Xsin(a化n(f/R))，其中no為出 射方介質(zhì)折射率，f為聚焦器件焦距，R為聚焦器件半徑，SinO和atanO分別為正弦函數(shù)和 反正切函數(shù)。
[0017] 要實(shí)現(xiàn)W上的多值相位-二值振幅遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件，需要 確定介質(zhì)圓環(huán)厚度t、金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)材料M、金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度5,具體方法如下：
[0018] (1)對于給定的入射波長A，根據(jù)金屬材料的磁導(dǎo)率y和電導(dǎo)率0,計(jì)算其在金屬材 料中的穿透深度Sp=(2/w]i〇)i/2{[l+( O e/o)2]i/2+w e/〇]}i/2，x/cy(其中 Q =2jtcA，。為金 屬電導(dǎo)率、e為金屬介電常數(shù)、y為金屬磁導(dǎo)率、C為真空中的光速），并選擇具有較小穿透深 度的金屬作為金屬膜材料M，金屬膜厚度最小值應(yīng)滿足A〉Sp，當(dāng)A(r〇 = l時，金屬膜厚度Si =0,即不設(shè)置金屬膜;當(dāng)A(ri)=0時，金屬膜厚度Si= A ;
[0019] (2)對于選定的介質(zhì)材料D，為實(shí)現(xiàn)聚焦器件相位空間分布iKrO,當(dāng)A(r〇等于1時， 介質(zhì)圓環(huán)的厚度由公式ti = iKri)V[2n(郵-1)]確定，其中A為入射光波長，郵為介質(zhì)材料D 的折射率；
[0020] (3)對于選定的介質(zhì)材料D，當(dāng)A(ri)等于0時，介質(zhì)圓環(huán)的厚度為ti = hm;
[0021] (4)根據(jù)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件所要求的相位空間分布iKrO和 振幅空間分布A(r〇,確定中屯、半徑ri處的介質(zhì)圓環(huán)厚度ti和金屬圓環(huán)厚度Si,由此在基底 上形成對應(yīng)的介質(zhì)-金屬圓環(huán)形結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件。
[0022] 在介質(zhì)-金屬圓環(huán)形結(jié)構(gòu)陣列中，相鄰介質(zhì)-金屬圓環(huán)形單元結(jié)構(gòu)的厚度可W不相 同。也可W其中若干個相鄰的介質(zhì)-金屬圓環(huán)形單元結(jié)構(gòu)具有完全相同的厚度，形成一個較 寬的介質(zhì)-金屬圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0023] W下詳細(xì)分析采用本發(fā)明所述的實(shí)現(xiàn)多值相位-二值振幅調(diào)控遠(yuǎn)場超衍射角向偏 振空屯、光環(huán)聚焦器件的優(yōu)勢：
[0024] 圖1給出了二值振幅調(diào)控遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件、二值相位調(diào)控 遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件與=值相位-二值振幅調(diào)控遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空 屯、光環(huán)聚焦器件聚焦光場能量分布比較;聚焦器件焦距（IOOA)和數(shù)值孔徑(0.97)均相同； 從圖中可W看出，對于相同入射光場，各聚焦器件的聚焦空屯、光環(huán)半高寬(FWHM)均為0.34A (小于衍射極限0.5U)，二值振幅聚焦器件焦斑峰值為791，二值相位聚焦器件焦斑峰值為 3011，=值相位-二值振幅聚焦器件焦斑峰值為3988。
[0025] 表1.二值振幅聚焦器件、二值相位聚焦器件和=值相位-二值振幅聚焦器件性能 比較
[0026]
[0027]表1中給出了二值振幅聚焦器件、二值相位聚焦器件和=值相位-二值振幅聚焦器 件聚焦性能參數(shù)比較。從表中參數(shù)對比可知，相對于二值振幅聚焦器件，二值相位聚焦器件 和=值相位-二值振幅聚焦器件聚焦性能得到了顯著改善：提高聚焦能量、增大了聚光效 率。
[0028] 可見，本發(fā)明提供的基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空 屯、光環(huán)聚焦器件，采用多值相位調(diào)控的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和二值振幅調(diào)控的金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，介 質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度決定出射光的相位，金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度決定出射光的振幅，通過改變介質(zhì) 圓環(huán)和金屬圓環(huán)的厚度實(shí)現(xiàn)多值相位調(diào)控和二值振幅調(diào)控。其利用介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓環(huán)結(jié) 構(gòu)單元形成空間平面同屯、圓環(huán)陣列，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦所需的聚焦 器件透射函數(shù)振幅相位空間分布，從而實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán) 聚焦，并提高了遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦性能，具有減小遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空 屯、光環(huán)半高寬、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大視場范圍等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0029] 圖1是二值振幅聚焦器件(點(diǎn)線）、二值相位聚焦器件(虛線)和=值相位-二值振幅 聚焦器件(實(shí)線)在焦平面上的光場強(qiáng)度分布比較;對于同樣的入射光強(qiáng)度分布，=值相位- 二值振幅聚焦器件的焦斑峰值更高，二值相位聚焦器件焦斑峰值次之，二值振幅聚焦器件 的焦斑峰值最低；
[0030] 圖2是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件聚焦示意圖；
[0032] 圖4是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件的振幅透射率空間分布；
[0033] 圖5是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件的相位空間分布；
[0034] 圖6是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件件的介質(zhì)圓環(huán)的厚度ti和金屬圓環(huán)的厚度Si與圓環(huán)結(jié)構(gòu)中屯、半徑ri的關(guān)系；
[0035] 圖7是基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器 件焦平面光強(qiáng)度沿半徑方向上分布的有限元法數(shù)值仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0036] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
[0037] 如圖2所示，基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚 焦器件包括基底1、介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元2、金屬圓結(jié)構(gòu)單元3。
[0038] 基底1是厚度為h的介質(zhì)材料，對入射光波長A透明，上下表面平行。
[0039] 介質(zhì)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)單元2是位于基底1上的中屯、半徑為ri(i表示從中屯、向外第i個同 屯、環(huán)）、寬度為W、厚度為t的介質(zhì)圓環(huán)，對入射光波長A透明。介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元2在基底1上 同屯、分布N個，對于給定的入射光波長A，通過改變介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度t來控制出射光相位 巧貨。此處，每個介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度t為m+1個可能取值之一，m+1個可能的取值分別為0， hi山，…，hm-l和hm, (0<hl<h2 ,〈???〈hm-Khm)，與之相對應(yīng)的出射相位#貨分別，0，目1 ,目2 ,…， 0m-l,目。（0<目八目 2，<…<0m-l<0m)。
[0040] 金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元3是位于介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元2上方并緊貼介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的、中屯、 半徑為ri(i表示從中屯、向外第i個同屯、環(huán)）、寬度為w、厚度為S的金屬膜。對于給定的入射光 波長、該金屬膜不透光，其對入射光的振幅透射率為a(S)，通過厚度為〇(即不設(shè)置金屬膜） 和A的圓環(huán)形金屬膜，分別實(shí)現(xiàn)入射光透射率為1和O兩種情形。
[0041] 兩個緊貼的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成一個介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元 結(jié)構(gòu)，N個同屯、的所述介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，其中N為 整數(shù)，第i個介質(zhì)圓環(huán)的中屯、半徑為ri，厚度為ti。第i個介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的中屯、半徑為ri，金屬 圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度為Si。對于給定的聚焦器件相位空間分布iKrO，通過介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)相位 的t)與介質(zhì)厚度t的關(guān)系，確定第i個介質(zhì)圓環(huán)的厚度ti;對于給定的振幅空間分布A(ri)，通 過入射光透射率a(S)與金屬圓環(huán)厚度S的關(guān)系，確定第i個金屬圓環(huán)的厚度Si,由此采用相 應(yīng)的同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件所需的相位空間分布 iKri)和振幅空間分布A(r〇,從而實(shí)現(xiàn)聚焦器件的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦功能。
[0042] 獲得聚焦器件需要具體確定材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)：
[0043] (1)基底材料的選擇
[0044] 根據(jù)給定的工作波長A，選用透射率高的透明介質(zhì)材料作為基底。例如：對于 632.Snm工作波長，基底材料可采用藍(lán)寶石玻璃。
[0045] (2)介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)材料的選擇
[0046] 根據(jù)給定的工作波長A，選用透射率高、折射率較高的透明介質(zhì)材料作為介質(zhì)材 料，W減小介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度。例如:對于632.Snm工作波長，介質(zhì)材料可采用Si3N4。
[0047] (3)金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)材料的選擇
[0048] 金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的主要功能是遮擋金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)所在位置處的入射光，使其透射率 為0,所W根據(jù)給定的工作波長A，所選用的金屬材料折射率虛部應(yīng)該盡可能大，W減小金屬 圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度。例如:對于632. Snm工作波長，金屬材料可采用侶。
[0049] (4)金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的確定
[0050] 對于給定的入射波長A，根據(jù)金屬材料的磁導(dǎo)率y和電導(dǎo)率0,計(jì)算其在金屬材料中 的穿透深度Sp = (2/〇]i〇)i/2{[l+( O e/o)2]i/2+u e/o]}i/2,入/cy(其中 O =2恥/入，〇為金屬電 導(dǎo)率、e為金屬介電常數(shù)、y為金屬磁導(dǎo)率、C為真空中的光速），并選擇具有較小穿透深度的 金屬作為金屬膜材料M，金屬膜厚度最小值應(yīng)滿足A〉Sp，當(dāng)A(r〇 = 1時，金屬膜厚度Si = O， 即不設(shè)置金屬膜;當(dāng)A(ri)=0時，金屬膜厚度Si= A，
[0051] (5)介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的確定
[0052] 對于給定的工作波長A和介質(zhì)材料D，為實(shí)現(xiàn)聚焦器件相位空間分布iKri)，當(dāng)A(ri) 等于1時，介質(zhì)圓環(huán)的厚度由公式ti = iKri)V協(xié)(郵-I)]確定，其中A為入射光波長，郵為介 質(zhì)材料D的折射率；當(dāng)A(Ti)等于0時，介質(zhì)圓環(huán)的厚度為ti = hm;當(dāng)ti = 0時，既不設(shè)置介質(zhì)圓 環(huán)。
[0053] 下面進(jìn)一步說明基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光 環(huán)聚焦器件的設(shè)計(jì)：
[0054] 首先，設(shè)置聚焦器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和聚焦光場目標(biāo)參數(shù)(如器件的半徑、焦距、圓環(huán)單 元寬度W、空屯、光環(huán)半高寬、旁瓣與主斑強(qiáng)度比值、視場范圍、聚焦效率等），采用矢量衍射計(jì) 算方法，計(jì)算入射光場經(jīng)過聚焦器件后在設(shè)定焦平面上光場分布，根據(jù)振幅可能取值0和1、 相位可能取值0，，02，…，0m-i和0m，并結(jié)合遺傳算法來優(yōu)化聚焦器件的振幅分布A(ri)和相 位分布iKri)，使聚焦光場分布逼近目標(biāo)參數(shù)。該計(jì)算方法參見E. T. F. Rogers，J丄in化erg， T.民oy，S.Savo,J.E.Chad,M.民.Dennis,and N.I.Zheludev，（'A super-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging，，，Nat.Mater.Vol.11，pp.432-435 (2012)。
[0055] 然后，對于給定波長為A入射光場，利用振幅透射率a(S)與金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度S的 關(guān)系，W及相位巧議與介質(zhì)厚度t的關(guān)系，根據(jù)優(yōu)化得到的振幅分布A(n)和相位分布iKri)， 分別確定ri處金屬膜厚度Si和介質(zhì)圓環(huán)厚度ti。對于金屬膜厚度，當(dāng)A(Ti) = 1時，金屬膜厚 度Si = 0,即不設(shè)置金屬胺；當(dāng)A(Ti)=O時，金屬胺厚度Si = A。對于介質(zhì)圓環(huán)厚度，當(dāng)A(ri) =0時，介質(zhì)圓環(huán)的厚度為ti = hm;當(dāng)A(Ti)等于1時，介質(zhì)圓環(huán)的厚度由公式ti = IKri)A/[231 (M-I)]確定，其中A為入射光波長，郵為介質(zhì)材料D的折射率。
[0056] 如圖3所示，給出了基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、 光環(huán)聚焦器件聚焦示意圖，垂直入射的角向偏振光，角向偏振光束截面中屯、與聚焦器件中 屯、重合，光束經(jīng)過聚焦器件后聚焦在距聚焦器件后f處的焦平面上，形成超衍射角向偏振空 屯、光環(huán)，f即為所述聚焦器件焦距。
[0057] 如圖4所示，W632.Snm波長為例，給出了一個基于介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列的 =值相位-二值振幅調(diào)控遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件的振幅透射率空間分布A (ri)，其中ri為第i個金屬圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的中屯、半徑?？梢娖淇臻g振幅透射率共有兩個值0和1， 即二值振幅。
[005引如圖5所示，W632.Snm波長為例，給出了圖4對應(yīng)的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán) 聚焦器件的相位空間分布iKri)，其中ri為第i個介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的中屯、半徑?？梢娖湎辔还灿?S個值0，V2和JT，即S值相位。
[0059] 如圖6所示，根據(jù)=值相位-二值振幅遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件振幅 透射率的空間分布A(ri)、相位空間分布iKrO,結(jié)合入射光透射率a(S)與金屬膜厚度S的關(guān) 系和介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)相位0貨與介質(zhì)厚度t的關(guān)系，可W得出的中屯、半徑為n的第i個介質(zhì)圓 環(huán)的厚度ti和第i個金屬膜的厚度Si。由此在平面內(nèi)形成基于=值相位-二值振幅調(diào)控的遠(yuǎn) 場超衍射角向偏振空屯、光環(huán)聚焦器件。
[0060] 圖7給出了圖6對應(yīng)的基于=值相位-二值振幅調(diào)控的遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空屯、光 環(huán)聚焦器件焦平面上沿半徑R方向的光強(qiáng)分布，其強(qiáng)度分布呈現(xiàn)為空屯、光環(huán)，空屯、光環(huán)內(nèi)徑 半高全寬(FWHM)為0.34A，小于衍射極限0.5U(〇. 5VNA)和超振蕩判據(jù)0.39U(〇. 38VNA)。 因此其不但突破了衍射極限，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場超振蕩空屯、光環(huán)聚焦。
[0061] 本發(fā)明提供的介質(zhì)-金屬同屯、圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對電磁波振幅 的任意調(diào)控，該多值相位-二值振幅調(diào)控方法還可W拓展到電磁波的其他波段，不僅限于光 學(xué)波段。因此，本發(fā)明可W廣泛的應(yīng)用在電磁波功能器件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上。
[0062] 本發(fā)明
【申請人】結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做了詳細(xì)的說明與描述，但是本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，W上實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，詳盡的說明只是為了幫 助讀者更好地理解本發(fā)明精神，而并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，相反，任何基于本申請發(fā) 明精神所作的任何改進(jìn)或修飾都應(yīng)當(dāng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，其特征在于包括基底（I)、介 質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(2)、金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(3); 所述基底(1)是厚度為h的介質(zhì)材料，對入射光波長λ透明，上下表面平行； 所述介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(2)是位于基底上的中心半徑為Γι、寬度為w、厚度為t的圓環(huán)形 介質(zhì)結(jié)構(gòu)，對入射光波長λ透明，其中i表示從中心向外第i個同心環(huán);介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(2) 在基底上同心分布N個，對于給定的入射光波長λ，通過不同的介質(zhì)圓環(huán)厚度t來獲得不同的 出射光相位扒&可以有一個介質(zhì)圓環(huán)的厚度t為0,即在基底此位置不設(shè)置介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單 元⑵； 所述金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(3)是位于介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元上方并緊貼介質(zhì)圓環(huán)、中心半徑 為ri、寬度為w、厚度為δ的金屬膜;對于給定的入射光波長λ，金屬膜不透光，其對入射光的 振幅透射率為a(S)，通過在不同的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元上設(shè)置厚度為△的金屬膜和不設(shè)置金 屬膜，分別實(shí)現(xiàn)入射光透射率為〇和1兩種情形； 兩個緊貼的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(2)和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(3)構(gòu)成一個介質(zhì)-金屬圓環(huán)單 元結(jié)構(gòu)，N個同心的介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，其中N為整數(shù)，第i個介 質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)的中心半徑為ri，介質(zhì)圓環(huán)的厚度為ti，金屬圓環(huán)的厚度為S i;所述陣 列中包含有金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(3)厚度為0,和介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元(2)與金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元 (3)厚度均為0的情況;對于給定的聚焦器件相位空間分布Φ(Γι)，通過介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)相位 供?與介質(zhì)厚度t的關(guān)系，確定第i個介質(zhì)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的厚度ti;對于給定的振幅空間分布A (r〇,通過入射光透射率a(S)與金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度δ的關(guān)系，確定第i個金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的厚 度心，由此采用相應(yīng)的介質(zhì)-金屬同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚 焦器件所需的相位空間分布Φ(η)和振幅空間分布Α( Γι)，從而實(shí)現(xiàn)器件的遠(yuǎn)場超衍射角向 偏振空心光環(huán)聚焦功能； 所述聚焦器件的聚焦焦斑為一角向偏振空心光環(huán)，空心光環(huán)強(qiáng)度內(nèi)徑半高寬小于光學(xué) 衍射極限〇 · 5λ/ΝΑ，其中NA為聚焦器件的數(shù)值孔徑，NA = no X s in(atan (f/R))，其中no為出射 方介質(zhì)折射率，f為聚焦器件焦距，R為聚焦器件半徑，sin()和atan()分別為正弦函數(shù)和反 正切函數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，其特征在 于:確定介質(zhì)圓環(huán)厚度t、金屬膜材料M、金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度δ的方法： (1) 對于給定的入射波長λ，根據(jù)金屬材料的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率〇,計(jì)算其在金屬材料中 的穿透深度δΡ = (2/ωμσ)ν2{[1+( ω ε/σ)2]ν2+ω ε/σ]}ν2，λ/〇μ，其中 ω =2jtc/X，o為金屬電 導(dǎo)率、ε為金屬介電常數(shù)、μ為金屬磁導(dǎo)率、c為真空中的光速，并選擇具有較小穿透深度的金 屬作為金屬膜材料Μ，金屬膜厚度最小值應(yīng)滿足Λ>δ ρ，當(dāng)A(ri) = l時，金屬膜厚度Si = O,即 不設(shè)置金屬膜;當(dāng)A(ri) =O時，金屬膜厚度Si= Δ ; (2) 對于選定的介質(zhì)材料D，為實(shí)現(xiàn)聚焦器件相位空間分布iKri)，當(dāng)A(ri)等于1時，介質(zhì) 圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度由公式ti = iKri)A/[2Ji(nD-l)]確定，其中M為介質(zhì)材料D的折射率； (3) 對于選定的介質(zhì)材料D，當(dāng)A(Xi)等于0時，介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為ti = hm，其中hm為聚焦 器件相位空間分布1Kri)最大值對應(yīng)的厚度介質(zhì)圓環(huán)厚度，g|3hm = max{iKxi)}A/[23i(nD-1)]，其中max {}表示取最大值； (4) 根據(jù)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚焦器件所要求的相位空間分布Φ(Γι)和振幅空 間分布A(ri)，確定空間半徑ri處的介質(zhì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度ti和金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)厚度5i，由此在基 底上形成對應(yīng)的介質(zhì)-金屬同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場超衍射角向偏振空心光環(huán)聚焦器 件。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，其特征在 于:所述聚焦器件是一種平面器件，聚焦器件的半徑為R = Nw，通過減小介質(zhì)圓環(huán)和金屬圓 環(huán)寬度w，提高相位和振幅調(diào)控的空間分辨率，增強(qiáng)器件聚焦性能。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，其特征在 于:在同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)陣列中，相鄰介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)厚度不相同，或者其中若干個相 鄰的介質(zhì)-金屬圓環(huán)單元結(jié)構(gòu)具有完全相同的厚度，從而形成一個較寬的介質(zhì)-金屬圓環(huán)結(jié) 構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多值相位-二值振幅的超衍射空心光環(huán)聚焦器件，其特征 在于:所述入射光為波長為λ的角向偏振光，光束從基底一端垂直入射，入射光束截面與聚 焦器件同心、同軸。
【文檔編號】G02B5/18GK106019441SQ201610599066
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】陳剛, 溫中泉, 武志翔, 余安平
【申請人】重慶大學(xué)