本發(fā)明屬于人工微結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，特別涉及一種用于柱矢量光束長焦深聚焦的負折射光柵軸棱鏡。

背景技術(shù)：

柱矢量光束由于具有獨特的光強和偏振分布，其亞波長聚焦具有特殊的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用。目前科研工作者們已經(jīng)提出了許多不同的實現(xiàn)和調(diào)控方法，但是現(xiàn)有的各種方法都存在一定的局限。傳統(tǒng)透鏡難以實現(xiàn)更加緊致的聚焦，而等離激元透鏡無法對兩個正交的偏正態(tài)同時實現(xiàn)聚焦。

長焦深焦場可以用于粒子加速、熒光成像、二次諧波產(chǎn)生和拉曼光譜研究等等，吸引了科研工作者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的用于形成長焦深的透鏡都存在一定的缺陷，如拋物面反射鏡，由于所形成的焦點與入射光位于拋物面同側(cè)，限制了焦場使用范圍；再如表面等離子體激元透鏡，其焦深受到近場聚焦的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種由單一介質(zhì)光柵構(gòu)成，能夠?qū)χ噶抗馐鴮崿F(xiàn)長焦深聚焦的透鏡。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種柱矢量光束介質(zhì)光柵長焦深聚焦透鏡，所述透鏡是由單一介質(zhì)材料的負折射光柵構(gòu)成的軸棱鏡，入射面為平面，出射面為倒圓錐面。

進一步的，透鏡是以高度固定、外徑相同而內(nèi)徑由下而上等量遞增d_∥的圓環(huán)光柵層疊構(gòu)成，圓環(huán)內(nèi)側(cè)為豎直壁，圓環(huán)光柵層的頂角連線形成的倒圓錐面，內(nèi)側(cè)倒圓錐面呈柱對稱結(jié)構(gòu)的環(huán)形階梯狀，頂角連線與垂直面之間的夾角為θ。

進一步的，負折射光柵結(jié)構(gòu)的高度為d_⊥，根據(jù)入射波長調(diào)整光柵材料的折射率和結(jié)構(gòu)參數(shù)d_⊥使光柵結(jié)構(gòu)滿足負折射條件：n_eff＝n-λ/d_⊥，n_eff為光柵結(jié)構(gòu)的等效負折射率，n為材料的折射率，λ是工作波長。

進一步的，介質(zhì)光柵錐面的結(jié)構(gòu)由公式得出，通過改變光柵周期的d_⊥和d_∥，對透鏡結(jié)構(gòu)大小進行伸縮，從而實現(xiàn)特定工作波長下柱矢量光束的長焦深聚焦。

本申請?zhí)岢鲆环N由單一介質(zhì)材料的負折射光柵構(gòu)成的軸棱鏡來實現(xiàn)對柱矢量光束的緊聚焦。這種透鏡主要利用光線的直角偏折，不僅可以用于徑向偏振光以形成光針形焦場，還可以用來聚焦旋向偏振光以形成光管形的焦場，而且形成的聚焦場能夠達到半高寬的理論極限值。通過合理設(shè)計棱鏡出射表面結(jié)構(gòu)，改變光柵周期數(shù)可以實現(xiàn)對焦場的靈活調(diào)控，這就為光捕獲、亞波長成像、超分辨率成像等相關(guān)領(lǐng)域提供技術(shù)參考。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種柱矢量光束介質(zhì)光柵長焦深聚焦透鏡，結(jié)構(gòu)簡單、制備容易，且能夠?qū)崿F(xiàn)對柱矢量光束的長焦深聚焦。

附圖說明

圖1是實施例光柵平錐透鏡實現(xiàn)長焦深的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計與聚焦原理示意圖。

圖2是實施例光柵平錐鏡實現(xiàn)徑向偏振光長焦深聚焦的立體圖。

圖3(a)為徑向偏振光實現(xiàn)光針型焦場r-z面的截面圖；(b)為旋向偏振光實現(xiàn)光管型焦場r-z面的截面圖。

圖4(a)、(b)光柵周期為25時的光針型焦場r-z面的截面圖以及它的光強分布示意圖；(c)、(d)光柵周期為35時的光針型焦場r-z面的截面圖以及它的光強分布示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例做詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示為光柵平錐透鏡實現(xiàn)長焦深的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

如圖2所示為光柵平錐鏡實現(xiàn)徑向偏振光長焦深聚焦的立體圖。

如圖3所示，本實施例的介質(zhì)光柵長焦深透鏡，入射光為呈Bessel-Gaussian分布，為了在λ＝532nm的波段內(nèi)具有負折射率，選定材料為GaN，設(shè)置光柵豎直高度和寬度d_⊥＝d_∥＝145nm，根據(jù)公式n_eff＝n-λ/d_⊥計算得出等效負折射率為n_eff＝-1。

在本實施例中沿縱向的結(jié)構(gòu)單元為35層，光柵平錐鏡的結(jié)構(gòu)由公式求出，且θ＝45°。

圖3(a)、(b)分別給出了頻率為λ＝532nm的呈Bessel-Gaussian分布的徑向偏振光入射到該平錐鏡，其r-z平面上的焦場分布圖，由圖可見在軸心處實現(xiàn)了長焦深聚焦。

由此實施例可以看出，本發(fā)明提出的平錐鏡結(jié)構(gòu)簡易，可以實現(xiàn)對徑向偏振光、旋向偏振光的長焦深聚焦，而且通過改變光柵周期可以實現(xiàn)焦場的伸縮。這說明本實施例的介質(zhì)光柵平錐鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對柱矢量光束的長焦深聚焦。