CN208818852U - 一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，该透镜包括石墨烯双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的金属同心环和底部的金属同心环结构，所述石墨烯双曲超材料为单层石墨烯和SiO2交替排列所构成的堆叠结构，入射光束沿透镜同心环中心轴传播时，实现亚波长聚焦。所述单层石墨烯的厚度为0.335 nm，SiO2的厚度为50nm。本实用新型结构简单易设计，制备易实现，本器件达到了聚焦平面波的效果，并且尺度和损耗均较小。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，属于亚波长光子学领域及集成光学领域，特别是基于人工微结构和亚波长聚焦的器件。
背景技术
透镜——作为最基本的光学工具，在光学显微镜、高密度光存储、光学光刻等领域发挥着重要的作用。然而，随着技术的发展，众多领域在朝着高质量、高集成、高分辨率等方向发展的同时也对光学元件的聚焦光斑提出了更高的要求。传统的聚焦光斑由于受到衍射极限的限制一般只能达到波长量级。为了突破这种极限，人们提出了许多改进的方法，如：固体或液体浸没透镜技术，亚波长金属光栅，亚波长光学谐振腔，超级透镜板等等。这些方法虽然能够在光斑大小、聚焦深度等方面有一定的提高，但是仍然存在高折射率自然材料难找，聚焦效率比较低等问题。
基于石墨烯-电介质多层膜结构的双曲超材料，其结构单元的尺度处于深度亚波长，是一种具有双曲空间频率响应、高度各向异性的均匀电磁介质。这种材料提供了一种有效操纵光传播的方式，产生了许多新颖的现象，如负折射、超高分辨率成像、增强光子态密度、慢光等，因此双曲超材料也成为近年来的研究热点。在现阶段研究的等离激元透镜结构中，普遍存在尺度较大、损耗高的问题。而处于深度亚波长尺度的石墨烯在特定波段可以表现出金属特性，且具有较低的损耗。
因此本专利提出一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，该透镜包括石墨烯双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的金属同心环和底部的金属同心环结构，所述石墨烯双曲超材料为单层石墨烯和SiO2交替排列所构成的堆叠结构，入射光束沿透镜同心环中心轴传播时，实现亚波长聚焦。
优选地，所述单层石墨烯的厚度为0.335nm，SiO2的厚度为50nm。
优选地，当工作波长λ为6500nm时，单层石墨烯和SiO2构成石墨烯双曲超材料的一个周期单元，总周期数N为30。
优选地，所述石墨烯双曲超材料顶部的金属环结构和底部的金属环结构均由Cr材料同心环构成，顶部的金属环结构和底部的金属环结构的厚度均为100nm。
优选地，顶部金属Cr同心环宽度为wA，顶部金属Cr同心环宽度wA与环之间空气间隔dA均为2500nm，同心环间间隔为ΛA＝5000nm，同心环与空气间隔交替排列，共13环。
优选地，底部金属Cr同心环宽度为wB，底部金属Cr同心环宽度wB与环之间空气间隔dB均为1625nm，同心环间间隔为ΛA＝3250nm，同心环与空气间隔交替排列，共20环。
优选地，该透镜为圆柱薄膜结构，该透镜的半径为65μm，厚度为1.7μm。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：本实用新型结构简单易设计，制备易实现，本器件达到了聚焦平面波的效果，并且尺度和损耗均较小。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1为本实用新型的红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜的结构示意图。
图2为本实用新型的红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜的剖面图。
图3为本实用新型入射光波长是5500-8000nm波段，周期为30层时的双曲超材料的透射谱图。
图4为本实用新型的光波长为6500nm时的聚焦场分布图。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
如图1所示，该红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，由双曲超材料结构以及双曲超材料顶部和底部的金属同心环结构构成；进一步的，所述双曲超材料是由单层石墨烯和SiO2交替排列所构成的堆叠结构，单层石墨烯的厚度为0.335nm。在所述双曲超材料结构中，单层石墨烯和50nm厚的SiO2构成石墨烯双曲超材料的一个周期单元，总周期数N为30。石墨烯双曲超材料顶部和底部的金属环均由Cr材料同心环构成，厚度均为100nm。所述同心环由几组具有一定宽度的金属Cr构成，再通过适当选择双曲超材料的周期数，形成了能够实现能够在红外波段实现亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜。图2为本实用新型结构的俯视图。
顶部金属Cr同心环宽度wA与环之间空气间隔dA均为2500nm，同心环间间隔为AA＝5000nm，共13环。底部金属Cr同心环宽度wB与环之间空气间隔dB均为1625nm，同心环间间隔为ΛA＝3250nm，同心环与空气间隔交替排列，共20环。透镜的半径为65μm，厚度为1.7μm。入射方向设置为器件下表面到上表面，来达到对入射光的透射，进而实现聚焦。
双曲超材料的等效介电张量为：
由等效媒质理论计算这两个主介电常数：和分别表示双曲超材料中垂直于z轴方向的介电常数分量和平行于z轴的介电常数分量，f为石墨烯的占空比：在x-z截面上该双曲超材料色散关系为kx 2/ε⊥+kz 2/ε//＝k0 2，其中kx＝kx′+ikx″，表示沿x方向波矢，kx′为波矢的实部、kx波矢的虚部；kz＝kz′+kz″，表示沿z方向波矢，kz′为波矢的实部、kz″波矢的虚部；真空波矢为k0＝2π/λ，λ为真空中波长。
当入射光的波长为6500nm时双曲超材料的色散关系如图3所示。由传输矩阵法可以计算出双曲超材料的透射谱图如图4所示，选取周期N为30的透射谱，在该图上选取波长为λ＝6500nm对应的透射峰，横向波矢为2k0，为保证光栅入射倒格矢GA＞k0，出射倒格矢满足|GA-GB|＜k0，选择为1.3k0计算得出ΛA＝5000nm，ΛB＝3250nm，其中：GA＝2π/ΛA，GB＝2π/ΛB。图4是光波长λ＝6500nm时正向入射进该器件中时的电场分布图，可以清楚地看到实现了亚波长聚焦。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：该透镜包括石墨烯双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的金属同心环和底部的金属同心环结构，所述石墨烯双曲超材料为单层石墨烯和SiO2交替排列所构成的堆叠结构，入射光束沿透镜同心环中心轴传播时，实现亚波长聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：所述单层石墨烯的厚度为0.335nm，SiO2的厚度为50nm。
3.根据权利要求2所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：当工作波长λ为6500nm时，单层石墨烯和SiO2构成石墨烯双曲超材料的一个周期单元，总周期数N为30。
4.根据权利要求1所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：所述石墨烯双曲超材料顶部的金属环结构和底部的金属环结构均由Cr材料同心环构成，顶部的金属环结构和底部的金属环结构的厚度均为100nm。
5.根据权利要求4所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：顶部金属Cr同心环宽度为wA，顶部金属Cr同心环宽度wA与环之间空气间隔dA均为2500nm，同心环间间隔为ΛA＝5000nm，同心环与空气间隔交替排列，共13环。
6.根据权利要求4所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：底部金属Cr同心环宽度为wB，底部金属Cr同心环宽度wB与环之间空气间隔dB均为1625nm，同心环间间隔为ΛA＝3250nm，同心环与空气间隔交替排列，共20环。
7.根据权利要求1所述的一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，其特征在于：该透镜为圆柱薄膜结构，该透镜的半径为65μm，厚度为1.7μm。
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