基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，由兩塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的光子晶體左右放置組成，光線經(jīng)過右邊光子晶體的負(fù)折射后，出射匯聚到兩光子晶體之間，接著光線繼續(xù)入射到左邊光子晶體，再經(jīng)歷一次負(fù)折射后，匯聚到左邊光子晶體下方一點，為亞波長成像點，亞波長成像點與入射點光源在同一水平線上，實現(xiàn)了180°成像。器件結(jié)構(gòu)非常簡單，體積小巧，性能穩(wěn)定可靠，適合特定的亞波長成像系統(tǒng)中。通過對光子晶體邊緣空氣孔半徑進(jìn)行一定比例的切除處理，可以極大地提高能量透過率。相比添加復(fù)雜的衍射光柵，切除更加易于加工制造。器件無需花費精力去調(diào)整復(fù)雜的光路，固定器件之后，整個成像過程中也不需要人為調(diào)整任何參數(shù)設(shè)置。
【專利說明】
基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像器件，特別涉及一種基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體的概念最早是在1987年提出的。光子晶體是一種按照晶體的結(jié)構(gòu)對稱性制備的周期性微介電結(jié)構(gòu)材料，其最基本的特性就是具有光子禁帶。頻率在光子禁帶頻率內(nèi)的光不能在光子晶體中傳播。負(fù)折射現(xiàn)象是俄國科學(xué)家Veselago在1968年提出的:當(dāng)光波從具有正折射率的材料入射到具有負(fù)折射率材料的界面時，光波的折射與常規(guī)折射相反，入射波和折射波處于界面法線方向同一側(cè)。直到本世紀(jì)初這種具有負(fù)折射率的材料才被制備出來。光在光子晶體中傳播時會出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象，而光子晶體的負(fù)折射效應(yīng)會受某些特征參數(shù)影響?；诠庾泳w的光電器件最近得到了廣泛的研究開發(fā)，相較于其他的光電器件，光子晶體器件具有體積小，易于集成以及器件不受外界電磁環(huán)境影響等優(yōu)點。這些特點為光電子器件向高度集成化發(fā)展提供了新的應(yīng)用前景。Li等指出利用光子晶體平板可以實現(xiàn)高質(zhì)量的近場成像。這方面的實驗由Belov等完成，但僅限于微波波段。近年來，基于雙曲色散的負(fù)折射材料也廣泛的被研究，而且也能實現(xiàn)寬頻帶超分辨成像。
[0003]總之，上述各種實現(xiàn)亞波長的系統(tǒng)或多或少都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度有限、操作困難的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對現(xiàn)有亞波長成像器件存在的問題，提出了一種基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、加工方便、成像效果好、操作方便的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，由兩塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的光子晶體左右放置組成，兩光子晶體的底邊和一個斜邊經(jīng)過邊緣切除處理后，所得底邊和斜邊夾角相等，右邊一塊光子晶體底邊向下斜邊向左水平放，左邊一塊光子晶體底邊垂直水平方向正對右邊光子晶體并且斜邊向下放置;右邊光子晶體底邊下側(cè)放置點光源，光線從底邊入射經(jīng)過右邊光子晶體的負(fù)折射后，從斜邊出射匯聚到兩光子晶體之間，接著匯聚的光線繼續(xù)入射到左邊光子晶體底邊，再經(jīng)歷一次負(fù)折射后，匯聚到左邊光子晶體斜邊下方一點，為亞波長成像點，所成的亞波長成像點與入射點光源在同一水平線上，實現(xiàn)了 180°成像。
[0006]所述光子晶體由圓形空氣孔按照六邊形晶格周期性排列的光子晶體邊緣切除處理所得。
[0007]所述光子晶體進(jìn)行邊緣切除，邊緣的空氣孔按統(tǒng)一的比例切除。
[0008]所述光子晶體基底介質(zhì)為硅介質(zhì)，折射率為3.4，切除邊緣空氣孔半徑的20%，光子晶體晶格常數(shù)a=0.482μπι;空氣柱半徑r=0.1976μπι;入射波長I.54μπι<λ彡I.59μπι。
[0009]所述兩個光子晶體的底邊與斜邊相交的頂點相距0.67μπι，光源入射點在右邊光子晶體底邊下側(cè)0.2μπι處。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，整個器件結(jié)構(gòu)非常簡單，體積小巧，性能穩(wěn)定可靠，適合特定的亞波長成像系統(tǒng)中。通過對光子晶體邊緣空氣孔半徑進(jìn)行一定比例的切除處理，可以極大地提高能量透過率。相比添加復(fù)雜的衍射光柵，這種切除方式更加易于加工制造。該種器件無需花費精力去調(diào)整復(fù)雜的光路，固定器件之后，整個成像過程中也不需要人為調(diào)整任何參數(shù)設(shè)置。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明單塊基于光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件的橫切面示意圖；
圖2為本發(fā)明單塊光子晶體的亞波長成像效果圖；
圖3為光子晶體的六邊形晶格周期性排列示意圖；
圖4為本發(fā)明對光子晶體邊緣切除處理的示意圖；
圖5為本發(fā)明單塊光子晶體所得到亞波長成像點處的探測器輸出值圖；
圖6為本發(fā)明單塊光子晶體時波長變化對亞波長成像的影響示意圖；
圖7為本發(fā)明兩塊光子晶體組合在一起后的亞波長成像效果圖；
圖8為本發(fā)明光線通過兩塊組合光子晶體后所得亞波長成像點處的探測器輸出值圖。
【具體實施方式】
[0012]如圖1單塊基于光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件的橫切面示意圖，光子晶體5為直角梯形光子晶體，入射點光源I位于斜邊和底邊的下方，入射點光源I的光從底邊垂直入射到光子晶體5上，光束通過光子晶體5，在斜邊發(fā)生反射和負(fù)折射，2為反射光束，3為負(fù)折射光束。負(fù)折射光束3從斜邊出射之后，匯聚到一點，形成亞波長成像點4，并且呈圓形向外擴散，如效果圖2，圖中point source為入射點光源；image為亞波長成像點。
[0013]基于光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長器件的工作方法如下:
本器件選定的點光源入射波長為1.55μπι，此波長的激光器以及傳輸設(shè)備已經(jīng)發(fā)展的很成熟并且經(jīng)常被使用，可以很方便的搭配本器件使用。采用單塊光子晶體平板時，對光子晶體邊緣切割處理后，將點光源放置在距離平板下方0.2μπι處，光線經(jīng)過光子晶體的負(fù)折射后，在平板左側(cè)形成清晰的亞波長成像點，該成像點與點光源不在同一個方向上，如圖1、2所示。
[0014]如圖3所示光子晶體的六邊形晶格周期性排列示意圖，內(nèi)部為周期排列的圓形空氣孔，如圖4為對光子晶體邊緣切除處理的示意圖，r為空氣孔半徑;切除時使兩個邊緣的空氣孔圓心到邊緣距離d=0.Sr，此時成像點處的能量透過率最高，所得到的亞波長成像點的半寬較小，具體底邊和斜邊切除比例按光子晶體的結(jié)構(gòu)定，僅需對光子晶體兩個邊進(jìn)行邊緣切除處理，并保證兩個邊切除比例相同。
[0015]基于光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件主要是光子晶體的參數(shù)設(shè)置。在本技術(shù)方案中，圓形空氣孔按照六邊形晶格周期性排列在基底介質(zhì)中，構(gòu)成完整的光子晶體。其中，基底介質(zhì)為硅介質(zhì)，折射率為3.4。為了增加成像點的能量透過率，要對光子晶體邊緣進(jìn)行切割處理，實驗證明最佳的比例是切除邊緣空氣孔半徑的20%。整個結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下:光子晶體晶格常數(shù)a=0.482um;介質(zhì)(Si)折射率n=3.4;空氣柱半徑Γ=0.1976μπι;入射波長λ=1.55μπι0
[0016]如圖5為單塊光子晶體所得到亞波長成像點處的探測器輸出值，如圖6為單塊光子晶體時波長變化對亞波長成像的影響，圖中:入射波長λ從1.54μπι變化到1.59μπι時，半寬基本低于0.5入。
[0017]采用組合的光子晶體平板時，即把已經(jīng)經(jīng)過兩個邊緣切除處理的，結(jié)構(gòu)相同的另一單塊的光子晶體逆時針旋轉(zhuǎn)90°，如圖7所示放置，使兩個光子晶體的底邊與斜邊相交的頂點相距0.67μπι，在右側(cè)光子晶體平板下側(cè)0.2μπι處放置點光源，光線經(jīng)過右側(cè)光子晶體平板的負(fù)折射后，匯聚到兩光子晶體平板之間，接著匯聚的光線繼續(xù)入射到左側(cè)光子晶體平板，再經(jīng)歷一次負(fù)折射后，匯聚到左側(cè)光子晶體平板斜邊下方一點，所成的亞波長成像點與入射點光源幾乎在同一水平線上，實現(xiàn)了 180°成像，見圖7中point source入射點光源和image亞波長成像點。圖8為光線通過兩塊組合光子晶體后所得亞波長成像點處的探測器輸出值。
[0018]單塊光子晶體所成的像與點光源不在同一方向上，其半寬在0.45λ左右;再放置一塊逆時針旋轉(zhuǎn)90°的光子晶體，組合在一起的兩塊光子晶體幾乎可以實現(xiàn)180°亞波長成像，通過調(diào)整兩塊光子晶體之間的角度和相對位置，我們可以實現(xiàn)不同方向不同位置的亞波長成像。
【主權(quán)項】
1.一種基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，其特征在于，由兩塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的光子晶體左右放置組成，兩光子晶體的底邊和一個斜邊經(jīng)過邊緣切除處理后，所得底邊和斜邊夾角相等，右邊一塊光子晶體底邊向下斜邊向左水平放，左邊一塊光子晶體底邊垂直水平方向正對右邊光子晶體并且斜邊向下放置;右邊光子晶體底邊下側(cè)放置點光源，光線從底邊入射經(jīng)過右邊光子晶體的負(fù)折射后，從斜邊出射匯聚到兩光子晶體之間，接著匯聚的光線繼續(xù)入射到左邊光子晶體底邊，再經(jīng)歷一次負(fù)折射后，匯聚到左邊光子晶體斜邊下方一點，為亞波長成像點，所成的亞波長成像點與入射點光源在同一水平線上，實現(xiàn)了 180°成像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，其特征在于，所述光子晶體由圓形空氣孔按照六邊形晶格周期性排列的光子晶體邊緣切除處理所得。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，其特征在于，所述光子晶體進(jìn)行邊緣切除，邊緣的空氣孔按統(tǒng)一的比例切除。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，其特征在于，所述光子晶體基底介質(zhì)為硅介質(zhì)，折射率為3.4，切除邊緣空氣孔半徑的20%，光子晶體晶格常數(shù)a=0.482μπι;空氣柱半徑r=0.1976μπι;入射波長I.54μπι彡λ彡I.59μπι。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于二維光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的亞波長成像器件，其特征在于，所述兩個光子晶體的底邊與斜邊相交的頂點相距0.67μπι，光源入射點在右邊光子晶體底邊下側(cè)0.2μηι處。
【文檔編號】G02B1/00GK105938207SQ201610530520
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】梁斌明, 馬宏亮, 莊松林
【申請人】上海理工大學(xué)