一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件的制作方法
【专利摘要】一种多值相位?二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，包括基底、介质圆环结构单元、金属圆环结构单元，其采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，介质圆环结构厚度决定出射光的相位，金属圆环结构厚度决定出射光的振幅，通过改变介质圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控；利用介质圆环和金属圆环结构单元形成空间平面同心圆环阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦所需的聚焦器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空心光环聚焦功能，并提高远场超衍射角向偏振空心光环聚焦性能，减小远场超衍射聚焦焦斑、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大视场范围。
【专利说明】
-种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件
技术领域
[0001] 本发明属于光聚焦、光成像领域，特别是设及多值相位-二值振幅调控远场超衍射 聚焦器件。
【背景技术】
[0002] 对于常规的微透镜而言，虽然采用了各种相位结构，但仍未能突破衍射极限。对于 远场超衍射聚焦器件，通常采用二值振幅调控或准连续振幅调控，往往不能实现较好的聚 焦性能，其聚焦效率低、旁瓣强度过大严重限制了超衍射器件的发展。远场超衍射聚焦是光 波发生精确干设的结果，因此在超衍射器件设计和实现中，在器件透射率函数中引入相位 调控是非常必要的。基于多值相位-二值振幅调控的亚波长结构可显著改善聚焦器件的聚 焦性能，如:减小远场超衍射聚焦焦斑、提高效率、抑制旁瓣、增大视场范围等。
[0003] (1)对于振幅调控，目前主要是通过狭缝或者小孔实现简单的透光和不透光两种 模式的控制，开口（孔或狭缝)的地方透光，不开口（孔或狭缝)的地方不透光，也就是二值(0 或1)振幅调控;相关文献有：
[0004] 参 T-LiuJJan, J.Liu,and H.Wang, "Vectorial design of super-oscillatoiy lens ,''Opt .Express ,Vol. 21 ,pp. 15090-15101(2013).
[0005] 参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] 参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)根据现有的二值(0或I)振幅调控超衍射聚焦器件的聚焦性能来看，分两种情 况：一是焦斑附近旁瓣很大（如文献: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).)，二是通过将大的旁瓣 外推，在主瓣半宽为0.48A的情况下，有效视场为(-90、+90A)(如文献: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)对于准连续振幅调控，目前可W通过改变亚波长金属狭缝的宽度实现振幅0-1 范围内的准连续变化；相关文献如：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
【发明内容】
[0009]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多值相位-二值振幅的超衍射空 屯、光环聚焦器件，其是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环 聚焦器件，采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，通过改变 介质圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控;利用介质圆环和金属圆环 结构单元形成空间平面同屯、圆环阵列，实现远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦所需的聚焦 器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空屯、光环 聚焦。
[0010]本发明通过W下技术方案来加从实现：
[0011] -种多值相位-二值振幅的超衍射空屯、光环聚焦器件，包括基底、介质圆环结构单 元和金属圆环结构单元。
[0012] 所述基底是一块具有一定厚度的介质材料，上下表面平行，对入射光波长A透明， 具有较高的透射率。
[0013] 所述介质圆环结构单元是位于基底上的中屯、半径为ri(i表示从中屯、向外第i个同 屯、环）、宽度为W、厚度为t的介质圆环，对入射光波长A透明。介质圆环结构单元在基底上同 屯、分布N个，对于给定的入射光波长A，通过改变各个介质圆环厚度t来控制出射光相位口阳。 此处，每个介质圆环的厚度t为m+巧巾可能值中之一，对应的m+巧巾可能值分别为0,hi,h2,…， hm-l和hm(0<lu<h2 , ，与之相对应的出射光相位例货分别为0 ,目1 ,目2 ,…，目m-l,目m(0< 01<02，<???<0m-l<0m)。其中，根据出射光相位如t)的需要，介质圆环的厚度t也可W为O，即在此 基底位置不设置介质圆环结构单元。
[0014] 所述金属圆环结构单元是位于介质圆环结构上方紧贴介质圆环结构的、中屯、半径 为ri(i表示从中屯、向外第i个同屯、环）、宽度为W、厚度为S的金属膜。对于给定的入射光波长 入，该圆环金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(S)，通过不设圆环金属膜(即厚度为 0)和设置厚度为A的圆环金属膜，分别实现入射光透射率为1和0两种情形。
[0015] 两个紧贴的介质圆环结构单元和金属圆环结构单元构成一个介质-金属圆环单元 结构，N个同屯、的所述介质-金属圆环单元结构构成介质-金属同屯、圆环形结构阵列，其中N 为整数，第i个介质-金属圆环单元结构的中屯、半径为ri，介质圆环的厚度为ti，金属膜的厚 度为Si。所述阵列中包含有金属圆环结构单元厚度为0,和介质圆环结构单元与金属圆环结 构单元厚度均为0的情况。对于给定的聚焦器件相位空间分布4(^)，〇《4片1)《0。，通过介 质圆环结构相位饼句与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环结构的厚度ti;对于给定的聚 焦器件振幅空间分布A(r〇，A(ri)为0或1，通过入射光透射率a(S)与金属圆环结构厚度S的 关系，确定第i个金属圆环结构的厚度Si,由此采用相应的介质-金属同屯、圆环结构阵列，实 现远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦所需的相位空间分布iKrO和振幅空间分布A(r〇,从 而实现远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦功能。
[0016] 所述聚焦器件的入射光为波长为A的角向偏振光，光束从基底一端垂直入射，入射 光束截面与聚焦器件同屯、、同轴，聚焦焦斑为一空屯、光环，空屯、光环强度内径半高宽小于光 学衍射极限0.5VNA，其中NA为聚焦器件的数值孔径，NA = n〇Xsin(a化n(f/R))，其中no为出 射方介质折射率，f为聚焦器件焦距，R为聚焦器件半径，SinO和atanO分别为正弦函数和 反正切函数。
[0017] 要实现W上的多值相位-二值振幅远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件，需要 确定介质圆环厚度t、金属圆环结构材料M、金属圆环结构厚度5,具体方法如下：
[0018] (1)对于给定的入射波长A，根据金属材料的磁导率y和电导率0,计算其在金属材 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，。为金 属电导率、e为金属介电常数、y为金属磁导率、C为真空中的光速），并选择具有较小穿透深 度的金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足A〉Sp，当A(r〇 = l时，金属膜厚度Si =0,即不设置金属膜;当A(ri)=0时，金属膜厚度Si= A ;
[0019] (2)对于选定的介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布iKrO,当A(r〇等于1时， 介质圆环的厚度由公式ti = iKri)V[2n(邮-1)]确定，其中A为入射光波长，邮为介质材料D 的折射率；
[0020] (3)对于选定的介质材料D，当A(ri)等于0时，介质圆环的厚度为ti = hm;
[0021] (4)根据远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件所要求的相位空间分布iKrO和 振幅空间分布A(r〇,确定中屯、半径ri处的介质圆环厚度ti和金属圆环厚度Si,由此在基底 上形成对应的介质-金属圆环形结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件。
[0022] 在介质-金属圆环形结构阵列中，相邻介质-金属圆环形单元结构的厚度可W不相 同。也可W其中若干个相邻的介质-金属圆环形单元结构具有完全相同的厚度，形成一个较 宽的介质-金属圆环形结构。
[0023] W下详细分析采用本发明所述的实现多值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏 振空屯、光环聚焦器件的优势：
[0024] 图1给出了二值振幅调控远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件、二值相位调控 远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件与=值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏振空 屯、光环聚焦器件聚焦光场能量分布比较;聚焦器件焦距（IOOA)和数值孔径(0.97)均相同； 从图中可W看出，对于相同入射光场，各聚焦器件的聚焦空屯、光环半高宽(FWHM)均为0.34A (小于衍射极限0.5U)，二值振幅聚焦器件焦斑峰值为791，二值相位聚焦器件焦斑峰值为 3011，=值相位-二值振幅聚焦器件焦斑峰值为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 比较
[0026]
[0027]表1中给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 件聚焦性能参数比较。从表中参数对比可知，相对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显著改善：提高聚焦能量、增大了聚光效 率。
[0028] 可见，本发明提供的基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空 屯、光环聚焦器件，采用多值相位调控的介质圆环结构和二值振幅调控的金属圆环结构，介 质圆环结构厚度决定出射光的相位，金属圆环结构厚度决定出射光的振幅，通过改变介质 圆环和金属圆环的厚度实现多值相位调控和二值振幅调控。其利用介质圆环和金属圆环结 构单元形成空间平面同屯、圆环阵列，实现了远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦所需的聚焦 器件透射函数振幅相位空间分布，从而实现突破衍射极限的远场超衍射角向偏振空屯、光环 聚焦，并提高了远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦性能，具有减小远场超衍射角向偏振空 屯、光环半高宽、提高聚焦效率、抑制旁瓣、增大视场范围等优点。
【附图说明】
[0029] 图1是二值振幅聚焦器件(点线）、二值相位聚焦器件(虚线)和=值相位-二值振幅 聚焦器件(实线)在焦平面上的光场强度分布比较;对于同样的入射光强度分布，=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] 图2是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件结构示意图；
[0031] 图3是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件聚焦示意图；
[0032] 图4是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件的振幅透射率空间分布；
[0033] 图5是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件的相位空间分布；
[0034] 图6是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件件的介质圆环的厚度ti和金属圆环的厚度Si与圆环结构中屯、半径ri的关系；
[0035] 图7是基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器 件焦平面光强度沿半径方向上分布的有限元法数值仿真结果。
【具体实施方式】
[0036] W下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
[0037] 如图2所示，基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚 焦器件包括基底1、介质圆环结构单元2、金属圆结构单元3。
[0038] 基底1是厚度为h的介质材料，对入射光波长A透明，上下表面平行。
[0039] 介质圆环形结构单元2是位于基底1上的中屯、半径为ri(i表示从中屯、向外第i个同 屯、环）、宽度为W、厚度为t的介质圆环，对入射光波长A透明。介质圆环结构单元2在基底1上 同屯、分布N个，对于给定的入射光波长A，通过改变介质圆环结构厚度t来控制出射光相位 巧货。此处，每个介质圆环结构的厚度t为m+1个可能取值之一，m+1个可能的取值分别为0， hi山，…，hm-l和hm, (0<hl<h2 ,〈???〈hm-Khm)，与之相对应的出射相位#货分别，0，目1 ,目2 ,…， 0m-l,目。（0<目八目 2，<…<0m-l<0m)。
[0040] 金属圆环结构单元3是位于介质圆环结构单元2上方并紧贴介质圆环结构的、中屯、 半径为ri(i表示从中屯、向外第i个同屯、环）、宽度为w、厚度为S的金属膜。对于给定的入射光 波长、该金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(S)，通过厚度为〇(即不设置金属膜） 和A的圆环形金属膜，分别实现入射光透射率为1和O两种情形。
[0041] 两个紧贴的介质圆环结构单元和金属圆环结构单元构成一个介质-金属圆环单元 结构，N个同屯、的所述介质-金属圆环单元结构构成介质-金属同屯、圆环结构阵列，其中N为 整数，第i个介质圆环的中屯、半径为ri，厚度为ti。第i个介质圆环结构的中屯、半径为ri，金属 圆环结构的厚度为Si。对于给定的聚焦器件相位空间分布iKrO，通过介质圆环结构相位 的t)与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环的厚度ti;对于给定的振幅空间分布A(ri)，通 过入射光透射率a(S)与金属圆环厚度S的关系，确定第i个金属圆环的厚度Si,由此采用相 应的同屯、圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件所需的相位空间分布 iKri)和振幅空间分布A(r〇,从而实现聚焦器件的远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦功能。
[0042] 获得聚焦器件需要具体确定材料和结构参数：
[0043] (1)基底材料的选择
[0044] 根据给定的工作波长A，选用透射率高的透明介质材料作为基底。例如：对于 632.Snm工作波长，基底材料可采用蓝宝石玻璃。
[0045] (2)介质圆环结构材料的选择
[0046] 根据给定的工作波长A，选用透射率高、折射率较高的透明介质材料作为介质材 料，W减小介质圆环结构厚度。例如:对于632.Snm工作波长，介质材料可采用Si3N4。
[0047] (3)金属圆环结构材料的选择
[0048] 金属圆环结构的主要功能是遮挡金属圆环结构所在位置处的入射光，使其透射率 为0,所W根据给定的工作波长A，所选用的金属材料折射率虚部应该尽可能大，W减小金属 圆环结构厚度。例如:对于632. Snm工作波长，金属材料可采用侣。
[0049] (4)金属圆环结构厚度的确定
[0050] 对于给定的入射波长A，根据金属材料的磁导率y和电导率0,计算其在金属材料中 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，〇为金属电 导率、e为金属介电常数、y为金属磁导率、C为真空中的光速），并选择具有较小穿透深度的 金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足A〉Sp，当A(r〇 = 1时，金属膜厚度Si = O， 即不设置金属膜;当A(ri)=0时，金属膜厚度Si= A，
[0051] (5)介质圆环结构厚度的确定
[0052] 对于给定的工作波长A和介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布iKri)，当A(ri) 等于1时，介质圆环的厚度由公式ti = iKri)V协(邮-I)]确定，其中A为入射光波长，邮为介 质材料D的折射率；当A(Ti)等于0时，介质圆环的厚度为ti = hm;当ti = 0时，既不设置介质圆 环。
[0053] 下面进一步说明基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、光 环聚焦器件的设计：
[0054] 首先，设置聚焦器件结构参数和聚焦光场目标参数(如器件的半径、焦距、圆环单 元宽度W、空屯、光环半高宽、旁瓣与主斑强度比值、视场范围、聚焦效率等），采用矢量衍射计 算方法，计算入射光场经过聚焦器件后在设定焦平面上光场分布，根据振幅可能取值0和1、 相位可能取值0，，02，…，0m-i和0m，并结合遗传算法来优化聚焦器件的振幅分布A(ri)和相 位分布iKri)，使聚焦光场分布逼近目标参数。该计算方法参见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，对于给定波长为A入射光场，利用振幅透射率a(S)与金属圆环结构厚度S的 关系，W及相位巧议与介质厚度t的关系，根据优化得到的振幅分布A(n)和相位分布iKri)， 分别确定ri处金属膜厚度Si和介质圆环厚度ti。对于金属膜厚度，当A(Ti) = 1时，金属膜厚 度Si = 0,即不设置金属胺；当A(Ti)=O时，金属胺厚度Si = A。对于介质圆环厚度，当A(ri) =0时，介质圆环的厚度为ti = hm;当A(Ti)等于1时，介质圆环的厚度由公式ti = IKri)A/[231 (M-I)]确定，其中A为入射光波长，邮为介质材料D的折射率。
[0056] 如图3所示，给出了基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的远场超衍射角向偏振空屯、 光环聚焦器件聚焦示意图，垂直入射的角向偏振光，角向偏振光束截面中屯、与聚焦器件中 屯、重合，光束经过聚焦器件后聚焦在距聚焦器件后f处的焦平面上，形成超衍射角向偏振空 屯、光环，f即为所述聚焦器件焦距。
[0057] 如图4所示，W632.Snm波长为例，给出了一个基于介质-金属同屯、圆环结构阵列的 =值相位-二值振幅调控远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件的振幅透射率空间分布A (ri)，其中ri为第i个金属圆环形结构的中屯、半径。可见其空间振幅透射率共有两个值0和1， 即二值振幅。
[005引如图5所示，W632.Snm波长为例，给出了图4对应的远场超衍射角向偏振空屯、光环 聚焦器件的相位空间分布iKri)，其中ri为第i个介质圆环结构的中屯、半径。可见其相位共有 S个值0，V2和JT，即S值相位。
[0059] 如图6所示，根据=值相位-二值振幅远场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件振幅 透射率的空间分布A(ri)、相位空间分布iKrO,结合入射光透射率a(S)与金属膜厚度S的关 系和介质圆环结构相位0货与介质厚度t的关系，可W得出的中屯、半径为n的第i个介质圆 环的厚度ti和第i个金属膜的厚度Si。由此在平面内形成基于=值相位-二值振幅调控的远 场超衍射角向偏振空屯、光环聚焦器件。
[0060] 图7给出了图6对应的基于=值相位-二值振幅调控的远场超衍射角向偏振空屯、光 环聚焦器件焦平面上沿半径R方向的光强分布，其强度分布呈现为空屯、光环，空屯、光环内径 半高全宽(FWHM)为0.34A，小于衍射极限0.5U(〇. 5VNA)和超振荡判据0.39U(〇. 38VNA)。 因此其不但突破了衍射极限，而且实现了远场超振荡空屯、光环聚焦。
[0061] 本发明提供的介质-金属同屯、圆环结构阵列，可在一定范围内实现对电磁波振幅 的任意调控，该多值相位-二值振幅调控方法还可W拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光 学波段。因此，本发明可W广泛的应用在电磁波功能器件的设计和实现上。
[0062] 本发明
【申请人】结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本 领域技术人员应该理解，W上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮 助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本申请发 明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在于包括基底（I)、介 质圆环结构单元(2)、金属圆环结构单元(3); 所述基底(1)是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行； 所述介质圆环结构单元(2)是位于基底上的中心半径为Γι、宽度为w、厚度为t的圆环形 介质结构，对入射光波长λ透明，其中i表示从中心向外第i个同心环;介质圆环结构单元(2) 在基底上同心分布N个，对于给定的入射光波长λ，通过不同的介质圆环厚度t来获得不同的 出射光相位扒&可以有一个介质圆环的厚度t为0,即在基底此位置不设置介质圆环结构单 元⑵； 所述金属圆环结构单元(3)是位于介质圆环结构单元上方并紧贴介质圆环、中心半径 为ri、宽度为w、厚度为δ的金属膜;对于给定的入射光波长λ，金属膜不透光，其对入射光的 振幅透射率为a(S)，通过在不同的介质圆环结构单元上设置厚度为△的金属膜和不设置金 属膜，分别实现入射光透射率为〇和1两种情形； 两个紧贴的介质圆环结构单元(2)和金属圆环结构单元(3)构成一个介质-金属圆环单 元结构，N个同心的介质-金属圆环单元结构构成同心圆环结构阵列，其中N为整数，第i个介 质-金属圆环单元结构的中心半径为ri，介质圆环的厚度为ti，金属圆环的厚度为S i;所述阵 列中包含有金属圆环结构单元(3)厚度为0,和介质圆环结构单元(2)与金属圆环结构单元 (3)厚度均为0的情况;对于给定的聚焦器件相位空间分布Φ(Γι)，通过介质圆环结构相位 供?与介质厚度t的关系，确定第i个介质圆环形结构的厚度ti;对于给定的振幅空间分布A (r〇,通过入射光透射率a(S)与金属圆环结构厚度δ的关系，确定第i个金属圆环结构的厚 度心，由此采用相应的介质-金属同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚 焦器件所需的相位空间分布Φ(η)和振幅空间分布Α( Γι)，从而实现器件的远场超衍射角向 偏振空心光环聚焦功能； 所述聚焦器件的聚焦焦斑为一角向偏振空心光环，空心光环强度内径半高宽小于光学 衍射极限〇 · 5λ/ΝΑ，其中NA为聚焦器件的数值孔径，NA = no X s in(atan (f/R))，其中no为出射 方介质折射率，f为聚焦器件焦距，R为聚焦器件半径，sin()和atan()分别为正弦函数和反 正切函数。2. 根据权利要求1所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在 于:确定介质圆环厚度t、金属膜材料M、金属圆环结构厚度δ的方法： (1) 对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率〇,计算其在金属材料中 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为金属电 导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速，并选择具有较小穿透深度的金 属作为金属膜材料Μ，金属膜厚度最小值应满足Λ>δ ρ，当A(ri) = l时，金属膜厚度Si = O,即 不设置金属膜;当A(ri) =O时，金属膜厚度Si= Δ ; (2) 对于选定的介质材料D，为实现聚焦器件相位空间分布iKri)，当A(ri)等于1时，介质 圆环结构厚度由公式ti = iKri)A/[2Ji(nD-l)]确定，其中M为介质材料D的折射率； (3) 对于选定的介质材料D，当A(Xi)等于0时，介质圆环结构厚度为ti = hm，其中hm为聚焦 器件相位空间分布1Kri)最大值对应的厚度介质圆环厚度，g|3hm = max{iKxi)}A/[23i(nD-1)]，其中max {}表示取最大值； (4) 根据远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器件所要求的相位空间分布Φ(Γι)和振幅空 间分布A(ri)，确定空间半径ri处的介质圆环结构厚度ti和金属圆环结构厚度5i，由此在基 底上形成对应的介质-金属同心圆环结构阵列，实现远场超衍射角向偏振空心光环聚焦器 件。3. 根据权利要求2所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在 于:所述聚焦器件是一种平面器件，聚焦器件的半径为R = Nw，通过减小介质圆环和金属圆 环宽度w，提高相位和振幅调控的空间分辨率，增强器件聚焦性能。4. 根据权利要求2所述的多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征在 于:在同心圆环结构阵列中，相邻介质-金属圆环单元结构厚度不相同，或者其中若干个相 邻的介质-金属圆环单元结构具有完全相同的厚度，从而形成一个较宽的介质-金属圆环结 构。5. 根据权利要求2所述的一种多值相位-二值振幅的超衍射空心光环聚焦器件，其特征 在于:所述入射光为波长为λ的角向偏振光，光束从基底一端垂直入射，入射光束截面与聚 焦器件同心、同轴。
【文档编号】G02B5/18GK106019441SQ201610599066
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】陈刚, 温中泉, 武志翔, 余安平
【申请人】重庆大学