專利名稱：基于負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透鏡，具體涉及一種基于負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡， 在空氣工作環(huán)境中，能夠?qū)ζ矫骐姶挪▍R聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差，這是常規(guī)材料單透 鏡所不能實(shí)現(xiàn)的，以豐富透鏡的功能和應(yīng)用?？捎糜诔Ｒ?guī)材料透鏡所適用的任何領(lǐng) 域，如電磁波匯聚、擴(kuò)束、照明、成像、信息處理、顯微、診斷、光刻與加工等電 磁波應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
，
常規(guī)材料對(duì)電磁波的折射率均為正值(其中，對(duì)X射線的折射率略小于1，對(duì)
其它電磁波的折射率大于l)。電磁波從折射率為",的一種常規(guī)材料，進(jìn)入折射率為 "2的另一種常規(guī)材料時(shí)，必須穿過兩種常規(guī)材料的交界面。電磁波在此界面上將發(fā)
生折射，'折射波與入射波同處于入射面內(nèi)，且位于界面法線的異側(cè)；若規(guī)定入射角 a總?cè)≌?，且?guī)定折射波與入射波位于界面法線的異(同)側(cè)時(shí)的折射角P取正 (負(fù))值，則上述折射規(guī)律滿足wsin"-"2sii^的數(shù)值關(guān)系。電磁波在兩種材料界 面上的上述折射關(guān)系，稱為折射定律。因?yàn)槌Ｒ?guī)材料的折射率恒正，所以，按照折 射定律，電磁波從兩種常規(guī)材料之間的界面上折射穿過時(shí)，折射角總、是正值，而不 可能為負(fù)值，即折射波與入射波不可能位于法線的同側(cè)。這樣，由常規(guī)材料構(gòu)成的 單透鏡，對(duì)平面電磁波匯聚時(shí)，產(chǎn)生負(fù)球差。如果想要用常規(guī)正折射率材料單透鏡 產(chǎn)生正球差，需要單透鏡對(duì)平面電磁波是發(fā)散的。就是說，現(xiàn)有常規(guī)正折射率材料 單透鏡，'無論怎樣設(shè)計(jì)，都不能實(shí)現(xiàn)對(duì)平面電磁波具有匯聚作用的同時(shí)，產(chǎn)生正球 差。
1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家V. G. Veselago提出了左手化媒質(zhì)(left handedmedium, LHM)理論。該理論認(rèn)為電磁波在左手化媒質(zhì)中傳播時(shí)，折射率可以取負(fù) 值;而且認(rèn)為電磁波穿過常規(guī)材料與左手化媒質(zhì)的交界面時(shí)，仍遵從上述折射定律。 這樣，電磁波穿過常規(guī)材料與左手化媒質(zhì)的交界面(或左手化媒質(zhì)與常規(guī)材料的交 界面)時(shí)，折射角必將取負(fù)值，表現(xiàn)為折射波與入射波位于界面法線同側(cè)的物理現(xiàn) 象，稱為負(fù)折射。因此，左手化媒質(zhì)又常被稱為負(fù)折射率材料(negative index material, NIM)或負(fù)折射材料等。
近年來，人們發(fā)現(xiàn)在周期性排列的人工結(jié)構(gòu)材料中，如光子晶體中存在負(fù)折射 現(xiàn)象，也就是說，對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的電磁波，光子晶體的等效折射率小于零(M. Notomi, Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals: Refractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap, PHYSICAL REVIEW B， Vol. 62, No. 16, 2000-11， 10696 -10705.)。實(shí)驗(yàn)研究也表明，光子晶伴中具有負(fù)折 射現(xiàn)象(E. Cubukcu， K. Aydin， E. Ozbay， S. Foteinopoulou， C. M. Soukoulis， Negative refraction by photonic crystals, NATURE, Vol. 423, June 2003, 604-605.)。目前，表現(xiàn) 出負(fù)折射效應(yīng)的負(fù)折射率材料不斷出現(xiàn)和更新；關(guān)于負(fù)折射率材料的最新研究多集 中于材嵙制備和性能表征方面，負(fù)折射率材料應(yīng)用研究多集中在波導(dǎo)或完美成像等 近場(chǎng)領(lǐng)域。負(fù)折射率材料因其獨(dú)特的電磁特性，還會(huì)具有常規(guī)材料所不具備的其它 特別應(yīng)用。本發(fā)明涉及一種基于負(fù)折射率材料的應(yīng)用，是一種新型匯聚透鏡；對(duì)指 定波長(zhǎng)的電磁波，選擇適當(dāng)折射率區(qū)間的負(fù)折射率材料，以指定的幾何外形制作透 鏡，能實(shí)現(xiàn)對(duì)平面電磁波具有匯聚作用的同時(shí)產(chǎn)生正球差，這是常規(guī)材料單透鏡所 不能實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)ζ矫骐姶挪▍R聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差的基于 負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡，以豐富透鏡的功能和應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種基于負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡，其特征在于，對(duì)單一波長(zhǎng)X的電磁波，選用折射率n為-KnO的負(fù)折射率材料制成圓柱狀單 透鏡；圓柱的兩個(gè)端面都與圓柱共軸，其中的一個(gè)端面為外凸球面，作為入射工作 面，另一個(gè)端面為平面，作為出射工作面；透鏡的軸向厚度T大于入射工作面的焦 距。所述的入射工作面，當(dāng)ii鏡工作環(huán)境為空氣時(shí)，入射工作南的像方焦距
EFLI-4^，其中i ,是入射工作面的半徑。在空氣環(huán)境中，透鏡的焦距EFI^1。 w—l w—l
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在空氣工作環(huán)境中，本發(fā)明能夠?qū)ζ?面電磁波匯聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差，這是現(xiàn)有常規(guī)材料單透鏡所不能實(shí)現(xiàn)的，以豐富 透鏡的功能和應(yīng)用。可用于常規(guī)材料透鏡所適用的任何領(lǐng)域，如電磁波匯聚、擴(kuò)束、 照明、成像、信息處理、顯微、診斷、光刻與加工等電磁波應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明所述基于負(fù)折射材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明用于對(duì)平面波束進(jìn)行匯聚并產(chǎn)生正球差的波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
圖3為本發(fā)明用于對(duì)平面波束進(jìn)行匯聚的實(shí)施例1在近軸焦點(diǎn)9處的球差曲線
圖4為本發(fā)明用于對(duì)平面波束進(jìn)行匯聚的實(shí)施例2在近軸焦點(diǎn)9處的球差曲線圖。
圖中1、本發(fā)明的基于負(fù)折射材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡，2、入射工作面，3、 出射工作面，4、透鏡對(duì)稱軸，5、光闌，6、近軸波線，7、邊緣波線，8、入射工 作面的近軸焦點(diǎn)，9、本發(fā)明透鏡的近軸焦點(diǎn)，10、本發(fā)明透鏡的邊緣波線焦點(diǎn)， 11、出射波接收平面，12、入射工作面的頂點(diǎn)，13、出射工作面的頂點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步例證性說明。
本發(fā)明的基于負(fù)折射材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡1的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，對(duì)單一
波長(zhǎng)X的電磁波，選用折射率n為大于-l而小于O之間(即-KnO)的負(fù)折射率材 料制成圓柱狀單透鏡；并使圓柱的兩個(gè)端面都與圓柱共軸，其中的一個(gè)端面為外凸 球面，作為入射工作面，另一個(gè)端面為平面，作為出射工作面，透鏡的軸向厚度T 大于入射工作面的焦距；所述的入射工作面，當(dāng)透鏡工作環(huán)境為空氣時(shí)，入射工作
面的像方焦距EFL"l及,，其中J ,是入射工作面的半徑。在空氣環(huán)境中，透鏡的
, W —1
焦距EFL-1。 w — l
圖2中，入射工作面2的頂點(diǎn)12 (入射工作面2與透鏡對(duì)稱軸4的交點(diǎn))到 出射工作面3的頂點(diǎn)13 (出射工作面3與透鏡對(duì)稱軸4的交點(diǎn))之間的距離，稱 為透鏡1的軸向厚度T。 ， ，
圖2是本發(fā)明用于對(duì)平面波束進(jìn)行匯聚并產(chǎn)生正球差的波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖。沿本發(fā)明透鏡1的對(duì)稱軸4，通過光闌5，將平面電磁波自左方投射到透鏡1 的入射；作面2上。調(diào)節(jié)光闌5與透鏡1共軸。近軸波線6經(jīng)入射工作面2負(fù)折射 后，與對(duì)稱軸4的交點(diǎn)8稱為入射工作面2的近軸焦點(diǎn)8。入射工作面2的近軸焦 點(diǎn)8相對(duì)于入射工作面2的頂點(diǎn)12的位置坐標(biāo)，稱為入射工作面2的焦距EFLI (圖2中的入射波自左向右傳播，點(diǎn)8在點(diǎn)12右方時(shí)的焦距為正，反之為負(fù)；本 發(fā)明中的該焦距恒正)。
在空氣工作環(huán)境中，本發(fā)明透鏡1的軸向厚度T (點(diǎn)12與點(diǎn)13伺的距離)要 大于入射工作面2的焦距EFLI，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)平面電磁波匯聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差。
本發(fā)明工作過程，如圖2所示，因?yàn)楸景l(fā)明透鏡1的鏡體材料為-KnO負(fù)折 射率材料，使用環(huán)境為空氣，所以，入射工作面2和出射工作面3都是正折射率材 料與負(fù)折射率材料的分界面。入射波為空氣中的平面波(波前面為平面，相當(dāng)于波源在無窮遠(yuǎn))，在入射工作面2經(jīng)負(fù)折射進(jìn)入透鏡1;近軸波線6的入射角較小，
折射后具有較小的負(fù)折射角，并匯聚于入射工作面2的近軸焦點(diǎn)8;邊緣波線7的 入射角較大，折射后具有較大的負(fù)折射角，將匯聚于入射工作面2的近軸焦點(diǎn)8 與入射工作面2的頂點(diǎn)12之間的另外一點(diǎn)，稱為入射工作面2的邊緣波線焦點(diǎn)。 由于透鏡l的軸向厚度T大于入射工作面2的焦距EFLI，所以，近軸波線6與邊 緣波線7進(jìn)入鏡體負(fù)折射材料并穿過各自的焦點(diǎn)后，將保持原來方向入射到出射工 作面3。與近軸波線6對(duì)應(yīng)的鏡體內(nèi)波線，以較小的入射角經(jīng)出射工作面3負(fù)折射 后，具有較小的負(fù)折射角，并匯聚于透鏡1的近軸焦點(diǎn)9;與邊緣波線7對(duì)應(yīng)的鏡 體內(nèi)波線，以較大的入射角經(jīng)出射工作面3負(fù)折射后，具有較大的負(fù)折射角，并匯 聚于透鏡1的邊緣波線焦點(diǎn)10。
光學(xué)工程中稱透鏡1的邊緣波線焦點(diǎn)10到透鏡1的近軸焦點(diǎn)9之間的距離為 球差，并規(guī)定透鏡1的邊緣波線焦點(diǎn)10較透鏡1的近軸焦點(diǎn)9更遠(yuǎn)離透鏡1時(shí)的 球差為正球差，反之為負(fù)球差。'入射波和波傳輸系統(tǒng)一定時(shí)，不同入射高度的波線 經(jīng)過波傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的球差也不同，二者的依賴關(guān)系較復(fù)雜，通常需要通過數(shù)值計(jì) 算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量獲得，可以用透鏡近軸焦點(diǎn)處的球差曲線表示(例如圖3、圖4所示)。
圖？中，透鏡1的近軸焦點(diǎn)9相對(duì)于出射工作面3的頂點(diǎn)13的位置坐標(biāo)，稱
為透鏡l的后焦距(當(dāng)透鏡工作環(huán)境為空氣時(shí)，透鏡l的后焦距BFL--工+^)
(圖2中的入射波自左向右傳播，點(diǎn)9在點(diǎn)13右方時(shí)的后焦距為正，反之為負(fù)； 本發(fā)明中的該后焦距恒正)。
實(shí)施例1: ,
對(duì)于波長(zhǎng) 1=10.6微米的電磁波，選取折射率為-1<11=-0.5<0的負(fù)折射率材料作 為本發(fā)明透鏡的鏡體材料，在空氣環(huán)境中使用，選取入射工作面2的曲率半徑為
及,=9.819毫米時(shí)，可以推算出本實(shí)施例透鏡入射工作面2的焦距為EFLI-」一i ,
7—a5 'x9.819 =3.273毫米>0。按照本發(fā)明透鏡1的軸向厚度T須大于入射工作面
一0.5-1
2的焦距EFLI的要求，選定本發(fā)明透鏡的軸向厚度為T-4毫米，可推算出本發(fā)明
透鏡的后焦距為BFL = -I + ^=-l+H=1.454毫米>0，表明本發(fā)明透鏡的
"w-l 一0.5 -0,5-1
近軸焦點(diǎn)9在本發(fā)明透鏡出射工作面3的頂點(diǎn)13后1.454毫米處，證明本發(fā)明透 鏡對(duì)入射平面波具有匯聚作用。'限定孔徑光闌5的半徑為2毫米時(shí)，本發(fā)明透鏡的 球差曲線如圖3所示。從圖3可以看出，本發(fā)明透鏡的球差為正球差，其中，邊緣 帶的球差最大，為0.9518毫米。上述數(shù)據(jù)和球差曲線圖3，證明本發(fā)明透鏡實(shí)現(xiàn)了 對(duì)平面電磁波匯聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差的功能。
實(shí)施例2:
對(duì)于波長(zhǎng) 1=1.55微米的電磁波，選取折射率為-1<!1=-0.75<0的負(fù)折射率材料作 為本發(fā)明透鏡的鏡體材料，在空氣環(huán)境中使用，選取入射工作面2的曲率半徑為
及,9.819毫米時(shí)，可以推算出本實(shí)施例透鏡入射工作面2的焦距為EFLI-工i , —Q75 x9.819 =4.208毫米>0。按照本發(fā)明透鏡1的軸向厚度T須大于入射工作
-0.75-1
面2的焦距EFLI的要求，選定本發(fā)明透鏡的軸向厚度為T=5毫米，可推算出本發(fā)
明透鏡的后焦距為BFL=-工+1=-^—+~^1^=1.056毫米>0，表明本發(fā)明透
w rt-l —0.75 —0.75-1
鏡的近軸焦點(diǎn)9在本發(fā)明透鏡出射工作面3的頂點(diǎn)13后1.056毫米處，證明本發(fā)
明透鏡對(duì)入射平面波具有匯聚作用。限定孔徑光闌5的半徑為2亳米時(shí)，本發(fā)明透
鏡的球差曲線如圖3所示。從圖3可以看出，本發(fā)明透鏡的球差為正球差，其中，
邊緣帶的球差最大，為0.2896毫米。上述數(shù)據(jù)和球差曲線圖3，證明本發(fā)明透鏡實(shí)
現(xiàn)了對(duì)平面電磁波匯聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差的功能。
權(quán)利要求
1、一種基于負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡，其特征在于對(duì)單一波長(zhǎng)λ的電磁波，選用折射率n為-1＜n＜0的負(fù)折射率材料制成圓柱狀單透鏡，圓柱的兩個(gè)端面都與圓柱共軸，其中的一個(gè)端面為外凸球面，作為入射工作面，另一個(gè)端面為平面，作為出射工作面；透鏡的軸向厚度T大于入射工作面的焦距。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于負(fù)折射率材料的凸結(jié)構(gòu)正球差透鏡，對(duì)單一波長(zhǎng)λ的電磁波，選用折射率n為-1＜n＜0的負(fù)折射率材料制成圓柱狀單透鏡；圓柱的兩個(gè)端面都與圓柱共軸，其中一個(gè)端面為外凸球面，作為入射工作面，另一個(gè)端面為平面，作為出射工作面；透鏡的軸向厚度T大于入射工作面的焦距。當(dāng)透鏡工作環(huán)境為空氣時(shí)，入射工作面的像方焦距EFLI＝(n/n-1)R_I，其中R_I是入射工作面的半徑。本發(fā)明的有益效果是在空氣工作環(huán)境中，本發(fā)明能夠?qū)ζ矫骐姶挪▍R聚的同時(shí)產(chǎn)生正球差，這是現(xiàn)有常規(guī)材料單透鏡所不能實(shí)現(xiàn)的，可用于常規(guī)材料透鏡所適用的任何領(lǐng)域，如電磁波匯聚、擴(kuò)束、照明、成像、信息處理、顯微、診斷、光刻與加工等電磁波應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B1/00GK101592743SQ20091005357
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者張軍勇, 卓 李, 琦 瑚, 高秀敏 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)