一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，涉及亞波長光子學(xué)中光場調(diào)控領(lǐng)域。該平凹鏡由金屬層和介質(zhì)層交替周期排列的一維金屬光子晶體構(gòu)成，沿光子晶體周期方向，一側(cè)為平面，另一側(cè)為半球形凹面。利用光子晶體的負(fù)折射特性及對正交偏振光的同時調(diào)控能力，該結(jié)構(gòu)能夠有效地聚焦徑向和旋向偏振光，聚焦光斑的尺寸均為亞波長量級。即，該結(jié)構(gòu)可以對任意偏振組分的柱對稱矢量光束實現(xiàn)亞波長尺度聚焦。通過改變組成材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，該聚焦效應(yīng)可以在寬波段內(nèi)實現(xiàn)。本發(fā)明的構(gòu)成材料簡單、參數(shù)易設(shè)計、結(jié)構(gòu)易制備，在近場光學(xué)、量子光學(xué)等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。
【專利說明】—維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞波長光子學(xué)、量子光學(xué)、光學(xué)微操縱等領(lǐng)域的用于光場調(diào)控的金屬微結(jié)構(gòu)，尤其涉及的是一種用于對柱對稱矢量光束亞波長聚焦的光子晶體平凹鏡，屬于人工微結(jié)構(gòu)材料及精細(xì)光場調(diào)控的交叉領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電磁波的靈活調(diào)控、以及亞波長尺度微結(jié)構(gòu)新穎光學(xué)特性，是目前光學(xué)與多學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域的研究熱點。而實現(xiàn)柱對稱矢量光束的精細(xì)光場調(diào)控在亞波長光子學(xué)、近場光學(xué)、量子光學(xué)等研究領(lǐng)域均有廣泛而長期的應(yīng)用前景。通過材料結(jié)構(gòu)單元亞波長尺度設(shè)計，可以實現(xiàn)光場物理量的精細(xì)控制；并能實現(xiàn)宏觀材料無法實現(xiàn)的光學(xué)性質(zhì)，如負(fù)折射率等；基于金屬光子晶體的緊湊型光學(xué)元件也使光電集成趨于現(xiàn)實。
[0003]1968 年，蘇聯(lián)科學(xué)家 V.G.Veselago (Veselago V G.The electrodynamics ofsubstances with simultaneously negative values of e and μ [J].Physics-Uspekhi, I968，10(4):509-514.)預(yù)言了具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率介質(zhì)的存在，這種介質(zhì)稱為“左手媒質(zhì)”，它的折射率為負(fù)值，具有反常折射現(xiàn)象。
[0004]1987 年，E.Yablonovitch (Yablonovitch E.1nhibited spontaneousemission in solid-state physics and electronics[J].Physical reviewletters, 1987, 58 (20):2059)和 S.John (John S.Strong localization of photonsin certain disordered dielectric superlattices[J].Physical reviewletters, 1987, 58 (23): 2486-2489)分別獨立提出了光子晶體(photonic crystal)的概念。
[0005]2001 年，美國力口 州大學(xué)的 D.R.Smith (Shelby R A, Smith D R, Schultz
S.Experimental verification of a negative index of refraction [J].science, 2001, 292(5514):77-79.)指出利用光子晶體的負(fù)折射可以實現(xiàn)實現(xiàn)對光的亞波長聚焦。
[0006]近年來，光子晶體的負(fù)折射效應(yīng)受到人們的廣泛關(guān)注。2006年，P.Vodo等(Vodo P, Lu W T, Huang Y, et al.Negative refraction and plano-concavelens focusing in one-dimensional photonic crystals[J].Applied physicsletters, 2006, 89(8):084104 ；Vodo P,Lu W T, Huang Y, et al.Negative refraction andplano-concave lens focusing in one-dimensional photonic crystals[J].Appliedphysics letters, 2006, 89 (8):084104)分析了一維、二維光子晶體的負(fù)折射特性，并且用一維和二維光子晶體平凹鏡實現(xiàn)了線偏振光的聚焦。
[0007]實現(xiàn)對光與物質(zhì)相互作用的有效操控，是人們長期追求的目標(biāo)。完整地描述一個光場，涉及的基本物理量包括頻率、振幅、位相和偏振。偏振態(tài)在空間非均勻分布的矢量光場，與標(biāo)量光場相比，在時空演化以及與物質(zhì)相互作用方面蘊含更豐富的物理效應(yīng)。
[0008]偏振光的聚焦的分析理論首先由Richards和Wolf提出(Richards B, WolfE.Electromagnetic diffraction in optical systems.11.Structure of the imagefield in an aplanatic system[J].Proceedings of the Royal Society of London.Series A.Mathematical and Physical Sciences, 1959，253(1274):358-379.)。
[0009]根據(jù)麥克斯韋方程組，可以得到矢量光束的解，其中，柱對稱矢量光束是振幅和相位都呈軸對稱分布的矢量光束，其中包含徑向偏振光和旋向偏振光，如附圖3所示。由于它們的場分布即偏振方向的特殊性，引起了人們的極大關(guān)注(Hall D G.Vector-beamsolutions of Maxwell’ s wave equation[J].0ptics letters,1996，21 (I):9_11.X
[0010]柱對稱矢量光束獨特的聚焦特性引起了人們的大量研究。其中，徑向偏振光比均勻偏振分布的光可以被聚焦到更小的空間中。在強聚焦下，徑向偏振光會產(chǎn)生縱向分量，從而聚焦光斑在三維空間中呈現(xiàn)梭形。徑向偏振光的亞波長聚焦可以應(yīng)用到刻蝕、共聚焦顯微、光數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域(Dorn R, Quabis S，Leuchs G.Sharper focus for a radiallypolarized light beam[J].Physical review letters,2003，91 (23):233901.)。
[0011]旋向偏振光可以聚焦到甜甜圈狀的空間中，即焦點的中間沒有光場分布，從而可以拓展光鑷的應(yīng)用范圍。使用兩個半波片偏振旋轉(zhuǎn)器，可以改變電場矢量的方向與徑向的夾角，得到一般的柱對稱矢量光束。通過控制徑向和旋向偏振光在柱對稱矢量光束的比重，可以聚焦得到不同的焦點形狀，包括中心峰值形、甜甜圈形、平頂形等。這就更加拓展了其應(yīng)用的范圍。當(dāng)然，這種柱對稱矢量光束及其聚焦也可以應(yīng)用到很多其他的方面，例如，高分辨率顯微、頻移、電子加速、光操縱、非線性光學(xué)、高精度度量等等(Zhan Q,Leger J.Focus shaping using cylindrical vector beams[J].0pticsExpress, 2002, 10(7): 324-331.)。
[0012]利用特殊的周期性結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)徑向偏振光的亞波長尺度聚焦。例如Wr0bel P等(Wr0bel P, Pniewski J, Antosiewicz T J, et al.Focusing radially polarized lightby a concentrically corrugated silver film without a hole[J].Physical reviewletters, 2009, 102 (18): 183902.)報道的兩側(cè)都有同心凹槽的無孔薄銀膜結(jié)構(gòu)，由于徑向偏振光偏振態(tài)的特殊性，電磁波在同心凹槽結(jié)構(gòu)上激發(fā)了表面等離激元(SPP)，在該結(jié)構(gòu)的后表面，不同凹槽間激發(fā)的SPP波互相干涉，形成了特殊的聚焦效果。該納米透鏡結(jié)構(gòu)可以在可見光波段將徑向偏振光聚焦到半最大值全寬為0.46 λ的空間中，即實現(xiàn)可見光的亞波長聚焦。
[0013]綜上所述，人們對光子晶體的光子調(diào)控研究以及柱對稱矢量光束的光場調(diào)控研究已經(jīng)滲透至各個交叉領(lǐng)域。柱對稱矢量光束的亞波長尺度光場調(diào)控多借助SPP激發(fā)效應(yīng)微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而SPP激發(fā)的偏振條件限制了對徑向和旋向偏振光亞波長尺度聚焦的同時實現(xiàn)。同時，光子晶體對柱對稱矢量光束的亞波長尺度聚焦的研究未見公開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有柱對稱矢量光束亞波長尺度聚焦依賴于表面等離激元激發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致的偏振態(tài)限制，并且突破金屬光子晶體光場調(diào)控對象的局限性，提供一種可以對徑向偏振光和旋向偏振光同時進(jìn)行亞波長尺度聚焦的一維金屬光子晶體平凹鏡。
[0015]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0016]一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，該平凹鏡由金屬層和介質(zhì)層交替周期排列的一維金屬光子晶體構(gòu)成，沿光子晶體周期方向，一側(cè)為平面，另一側(cè)為半球形凹面。
[0017]所述平凹鏡的平面?zhèn)扔扇舾芍芷诘慕饘賹雍徒橘|(zhì)層交替排列構(gòu)成，凹面?zhèn)鹊陌肭蛐闻c平面?zhèn)鹊慕饘賹酉嗲?，?gòu)成半球形的每一金屬層和介質(zhì)層的邊緣截面均為直角。
[0018]進(jìn)一步地，所述平凹鏡的平面?zhèn)葹槿肷涠?，凹面?zhèn)葹槌錾涠恕?br> [0019]所述一維金屬光子晶體的周期與工作波長為同一量級，但小于工作波長。
[0020]進(jìn)一步地，對于確定的工作波段，所述平凹鏡的尺寸及材料參數(shù)，應(yīng)使得該工作波長位于一維金屬光子晶體的第二能帶內(nèi)。
[0021]金屬光子晶體具有參數(shù):周期為d,金屬層厚度為a,介質(zhì)層厚度為b=d_a,金屬和介質(zhì)的介電常數(shù)分別為ε b。
[0022]該金屬光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)可通過以下計算公式得到:
【權(quán)利要求】
1.一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，其特征在于，該平凹鏡由金屬層和介質(zhì)層交替周期排列的一維金屬光子晶體構(gòu)成，沿光子晶體周期方向，一側(cè)為平面，另一側(cè)為半球形凹面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，其特征在于，所述平凹鏡的平面?zhèn)扔扇舾芍芷诘慕饘賹雍徒橘|(zhì)層交替排列構(gòu)成，凹面?zhèn)鹊陌肭蛐闻c平面?zhèn)鹊慕饘賹酉嗲?，?gòu)成半球形的每一金屬層和介質(zhì)層的邊緣截面均為直角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，其特征在于，所述平凹鏡的平面?zhèn)葹槿肷涠?，凹面?zhèn)葹槌錾涠恕?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，其特征在于，所述一維金屬光子晶體的周期與工作波長為同一量級，但小于工作波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一維金屬光子晶體柱對稱矢量光束聚焦平凹鏡，其特征在于，對于確定的工作波段，所述平凹鏡的尺寸及材料參數(shù)，應(yīng)使得該工作波長位于所述一維金屬光子晶體的第二能帶內(nèi)。
【文檔編號】G02B3/00GK103969710SQ201410136857
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】許吉, 仲義, 王瑾, 王敏娟, 陸云清 申請人:南京郵電大學(xué)