提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，属于光学器件【技术领域】。本发明包括光源、探测器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，两板均为二维光子晶体，通过在GaAs介质基底刻蚀三角晶格排列的圆柱型空气孔制成；光源位于下板下方，其与下板下表面之间的纵向距离为λ，横向位于两板的中间，光源的中心频率为0.3068a/λ，探测器与光源组合在一起，待观测目标位于上板上方，并处在光源的正上方，a为二维光子晶体的晶格常数，λ等于1/0.3068um。本发明能够更好地提高光子晶体透镜系统的再聚焦分辨率，从而能够更好地优化探测成像系统的性能。
【专利说明】提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统
【技术领域】
[0001]本发明属于光学器件【技术领域】，更准确地说，本发明涉及一种利用光子晶体平板的负折射效应制作超透镜的光学器件技术。
【背景技术】
[0002]传统的成像器件——透镜，主要是依靠其表面的曲率来使光学系统成像。梯度折射率透镜是由折射率沿径向呈抛物线分布的圆柱状介质构成的，能起到聚(散)光或成像两种作用。由于和传统的光学元件相比，它具有聚焦光斑直径很小及分辨率高的特点，因而被广泛应用于光纤耦合、分光、分波、光开关、复印机小型化、激光光盘放录等。
[0003]近来，左手材料LHM在近场目标探测及成像上也得到了人们的特别关注，具有平坦表面的负折射率LHM平板透镜亦被提出用作聚焦透镜。理论分析及数值模拟表明由LHM制作而成的无损耗的所谓完美透镜将获得突破衍射极限的聚焦分辨率，且较高的聚焦分辨率通常会产生较高的图像分辨率。
[0004]然而，虽然LHM平板透镜在近场目标探测及成像方面取得了显著的成绩，但遗憾的是，自然界中迄今尚未发现介电常数和磁导率同时为负值的天然LHM材料。为此，Notomi曾深入研究和阐述通过不同的方法在二维光子晶体(PC)模型中获得介质的等效负折射率。在这种光子晶体中，在接近禁带附近的等频率线会近似为圆形，这意味着在这些频率范围内，光在光子晶体中的传播类似于在普通各向同性介质中传播。这样，我们可以用等效折射率nrff来描述光在此晶体中的传播，由此产生等效负折射光子晶体(NR-PC)概念。NR-PC平板透镜的成像遵循几何光学特性，因而可以将其应用于光波目标探测及成像系统中。文献 Wang G, Fang J R, Dong X T.Refocusing of backscattered microwaves in targetdetection by using LHM flat lens.0pt Expr, 2007，15(6):3312D3317和Wang G,Fang JR, Dong X T.Resolution of Near-field microwave target detection and imaging byusing flat LHM lens.1EEE Trans Antennas Propog, 2007, 55 (12): 3534D3541 (以下称为文献I和2)即利用负折射光子晶体透镜进行了微波探测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是:为了更好地提高光子晶体透镜系统的再聚焦分辨率、优化探测成像系统的性能，提供一种提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，从而突破传统成像的“衍射极限”，极大地提高了成像分辨率，实现对微细结构的“完美成像”。
[0006]具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括光源、探测器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，两板均为二维光子晶体，通过在GaAs介质基底刻蚀三角晶格排列的圆柱型空气孔制成；光源位于下板下方，其与下板下表面之间的纵向距离为入，横向位于两板的中间，光源的中心频率为0.3068a/X ;探测器与光源组合在一起，待探测目标位于上板上方，并处在光源的正上方；上述a为二维光子晶体的晶格常数，λ等于1/0.3068um。[0007]本发明的进一步特征在于:GaAs介质基底的相对介电常数ε =12.96，空气孔的半径是0.4a，空气孔在GaAs介质基底上的排列为纵向7行、横向取30列。
[0008]本发明的进一步特征在于:上板、下板的纵向厚度均为2 λ。
[0009]本发明的进一步特征在于:待探测目标位与下板上表面之间的纵向距离为
3.91 λ。
[0010]本发明的进一步特征在于:上板下表面与下板下表面之间的纵向距离为10~12um。
[0011]本发明的进一步特征在于:上板下表面与下板下表面之间的纵向距离为llum。
[0012]本发明的进一步特征在于:上板和/或下板存在点缺陷。。
[0013]本发明的有益效果如下:本发明能够更好地提高光子晶体透镜系统的再聚焦分辨率、优化探测成像系统的性能,从而突破传统成像的“衍射极限”,极大地提高了成像分辨率，实现对微细结构的“完美成像”。本发明的双平板透镜系统，平板之间的距离可以灵活的调整，从而可以找到一个恰当的位置，使得其聚焦分辨率最佳。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为NR-PC平板透镜成像及目标探测示意图。
[0015]图2为光子晶体的等效折射率nrff随频率ω变化曲线图。
[0016]图3为本发明的双平板透镜系统的结构图。
[0017]图4为本发明的上板存在点缺陷的双平板透镜系统的结构图。
[0018]图5为本发明的下板存在点缺陷的双平板透镜系统的结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
[0020]如图1所示，负折射光子晶体(NR-PC)平板透镜可用于成像及目标探测，即将NR-PC平板透镜置于光源与待探测目标之间，探测器与光源组合在一起，通过NR-PC平板透镜实现成像和目标探测。分析和计算表明，当用NR-PC平板透镜对目标进行动态探测时，目标的后向散射波再聚焦分辨率较未使用NR-PC平板透镜时有显著的提高，因此NR-PC平板透镜在目标探测成像领域能够发挥重要作用。为了满足实际应用的要求，可以将上述无限长厚度的NR-PC平板透镜设计为多种厚度的NR-PC平板透镜进行动态探测。
[0021]对于TM模结构的光子晶体而言，其等效折射率neff是随归一化频率ω (单位为a/λ，a为二维光子晶体的晶格常数，λ等于l/0.3068um)变化的。如图2所示，当
0.3 ^ ω ^ 0.35时，neff ( 0，且neff ^ -1时所对应的归一化频率ω ^ 0.3068a/ λ ,即在归一化频率ω~0.3068a/λ时，光在光子晶体中传播时将产生负折射现象。
[0022]不过，光在nrff=-l的光子晶体(PC)中的传播方式完全不同于左手材料。对于n=_l的LHM来说，空气与LHM之间的接触面上将不会发生反射，而对于PC而言，即使nrff=_l，在其与空气的接触面上仍会发生多重反射和折射，这将导致光在光子晶体中的传播有极大的损耗，其光能透射率T较低。因而，在优化扫描-聚焦成像系统的性能之前，必须找到有效提高光子晶体的光能透射率的途径。
[0023]为此，在本发明中，光源的中心频率设为0.3068a/λ。该处原理在于，当波源中心频率为0.3068a/ λ时，在该NR-PC平板的归一化频率0.3068a/λ处，光子晶体的出射和入射平均能流的比值透射率Τ=4500，远大于1，即光波透射率在波源中心频率为0.3068a/λ处得到极大的提高。这是由于光子晶体的等效负折射结构的介质呈周期性分布，当光子晶体等效折射率常数neff=-l (它对应的归一化频率ω~0.3068a/ λ )时，光波在该等效负折射光子晶体界面及内部受强烈的布拉格散射的影响引起导模，进而产生微禁带效应，同时，光子隧道贯穿极大地增强了共振激发效应，使对于特定厚度的波导内每个导模只能存在于较窄的频段内，它使能量被高度局域，这是场的频域能量重新分配的结果，进而大大增强了它们的透射率，导致它在对应的归一化频率ω~0.3068a/λ处形成窄的共振激发透射峰，从而使得目标处产生极强的后向散射波，使得后向散射波的再聚焦横向扫描分辨率和图像分辨率有了极大的提高，远高于0.2068a/ λ处分辨率近4倍多。
[0024]为了更好地提高探测成像系统的性能，本发明使用了 NR-PC双平板透镜组动态扫描方案。如图3所示，本发明在保持目标和光源不变的情况下，在原位置上放置NR-PC双平板透镜组，仍采取光源与探测器二者组合在一起。
[0025]具体而言，本发明中，包括光源、探测器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，光源位于下板下方，其与下板下表面之间的纵向距离为λ，横向位于两板的中间，光源的中心频率为0.3068a/λ ;探测器与光源组合在一起，待探测目标位于上板上方，并处在光源的正上方。上板和下板均为二维光子晶体，可通过在GaAs介质基底刻蚀三角晶格排列的圆柱型空气孔制成，GaAs介质基底的相对介电常数ε可取为12.96，空气孔的半径可取0.4a，空气孔在GaAs介质基底上的排列可为纵向7行、横向取30列。上板、下板的纵向厚度可取为2 λ。
[0026]探测时，将直径D=1/6X的圆形PEC目标(即待探测目标)置于距下板上表面ds=3.91 λ处，保持下板不动，并且改变双板间的距离s(即上板下表面与下板下表面之间的纵向距离)分别为10Um、llUm、12Um，通过对目标进行动态扫描，数值分析后即可得到相应的散射信号归一化场强电平分布剖·面图。
[0027]本发明中的上板和下板可以存在点缺陷。如图4、图5所示，将存在点缺陷的NR-PC作为上板或下板(例如NR-PC中间间隔少2个孔)。不同位置的不同缺陷的圆孔NR-PC双平
板透镜对圆形目标的再聚焦分辨率性能表如下表所示。
[0028]
陷情况
无缺陷上板缺陷下板缺陷
板距
板距 IOiw? 0.423 A0.9841 0.43242
板距 Ilwm 0.2646A0.416A 0.1652
板距 12.? 0.39 λ0.362 A O, 4074/I
[0029]从上表可知，在无缺陷NR-PC双平板透镜中，板距为Ilum的分辨率0.2646 λ要比板距为IOum和12um的好。下板有缺陷时也是在板距为Ilum时的存在最好的分辨率0.165 λ。与文献2和文献3中利用LHM平板透镜对相同大小目标进行动态扫描探测得到的再聚焦分辨率0.275 λ相比提高了 0.11 λ，与无缺陷NR-PC单板透镜再聚焦分辨率
0.2564 λ相比提高了 0.0914 λ，与无缺陷NR-PC双板透镜组再聚焦分辨率0.2646 λ相比提高了 0.0996 λ。由此可见，在NR-PC双平板透镜组动态扫描探测系统中，平板之间的距离可以灵活的调整，从而可以找到一个恰当的位置，使得其聚焦分辨率比较好，从而对优化探测成像系统的性能。
[0030]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
【权利要求】
1.提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于，包括光源、探测器、上板和下板，其中: 上板和下板相互平行，两板均为二维光子晶体，通过在GaAs介质基底刻蚀三角晶格排列的圆柱型空气孔制成； 光源位于下板下方，其与下板下表面之间的纵向距离为λ，横向位于两板的中间，光源的中心频率为0.3068a/λ ;探测器与光源组合在一起，待探测目标位于上板上方，并处在光源的正上方； 上述a为二维光子晶体的晶格常数，λ等于l/0.3068um。
2.根据权利要求1所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于=GaAs介质基底的相对介电常数ε =12.96，空气孔的半径是0.4a，空气孔在GaAs介质基底上的排列为纵向7行、横向取30列。
3.根据权利要求2所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于:上板、下板的纵向厚度均为2 λ。
4.根据权利要求3所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于:待探测目标位与下板上表面之间的纵向距离为3.91入。
5.根据权利要求4所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于:上板下表面与下板下表面之间的纵向距离为10?12um。
6.根据权利要求5所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于:上板下表面与下板下表面之间的纵向距离为llum。
7.根据权利要求1?5任一所述的提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统，其特征在于:上板和/或下板存在点缺陷。
【文档编号】G02B3/02GK103630999SQ201310544501
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】朱娜, 廉颖霏, 江晓明 申请人:江苏大学