基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，由兩塊內部結構相同的光子晶體左右放置組成，光線經過右邊光子晶體的負折射后，出射匯聚到兩光子晶體之間，接著光線繼續入射到左邊光子晶體，再經歷一次負折射后，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，實現了180°成像。器件結構非常簡單，體積小巧，性能穩定可靠，適合特定的亞波長成像系統中。通過對光子晶體邊緣空氣孔半徑進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整復雜的光路，固定器件之后，整個成像過程中也不需要人為調整任何參數設置。
【專利說明】
基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件
技術領域
[0001]本發明涉及一種光學成像器件，特別涉及一種基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件。
【背景技術】
[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構對稱性制備的周期性微介電結構材料，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的光不能在光子晶體中傳播。負折射現象是俄國科學家Veselago在1968年提出的:當光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規折射相反，入射波和折射波處于界面法線方向同一側。直到本世紀初這種具有負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負折射現象，而光子晶體的負折射效應會受某些特征參數影響。基于光子晶體的光電器件最近得到了廣泛的研究開發，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境影響等優點。這些特點為光電子器件向高度集成化發展提供了新的應用前景。Li等指出利用光子晶體平板可以實現高質量的近場成像。這方面的實驗由Belov等完成，但僅限于微波波段。近年來，基于雙曲色散的負折射材料也廣泛的被研究，而且也能實現寬頻帶超分辨成像。
[0003]總之，上述各種實現亞波長的系統或多或少都存在著結構復雜、精度有限、操作困難的缺陷。
【發明內容】
[0004]本發明是針對現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折射效應的亞波長成像器件，具有結構簡單、體積小巧、加工方便、成像效果好、操作方便的優點。
[0005]本發明的技術方案為:一種基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，由兩塊內部結構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放置點光源，光線從底邊入射經過右邊光子晶體的負折射后，從斜邊出射匯聚到兩光子晶體之間，接著匯聚的光線繼續入射到左邊光子晶體底邊，再經歷一次負折射后，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]所述光子晶體進行邊緣切除，邊緣的空氣孔按統一的比例切除。
[0008]所述光子晶體基底介質為硅介質，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0.2μπι處。
[0010]本發明的有益效果在于:本發明基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，整個器件結構非常簡單，體積小巧，性能穩定可靠，適合特定的亞波長成像系統中。通過對光子晶體邊緣空氣孔半徑進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整復雜的光路，固定器件之后，整個成像過程中也不需要人為調整任何參數設置。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明單塊基于光子晶體負折射效應的亞波長成像器件的橫切面示意圖；
圖2為本發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為本發明對光子晶體邊緣切除處理的示意圖；
圖5為本發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折射效應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，在斜邊發生反射和負折射，2為反射光束，3為負折射光束。負折射光束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]基于光子晶體負折射效應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備已經發展的很成熟并且經常被使用，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，光線經過光子晶體的負折射后，在平板左側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構定，僅需對光子晶體兩個邊進行邊緣切除處理，并保證兩個邊切除比例相同。
[0015]基于光子晶體負折射效應的亞波長成像器件主要是光子晶體的參數設置。在本技術方案中，圓形空氣孔按照六邊形晶格周期性排列在基底介質中，構成完整的光子晶體。其中，基底介質為硅介質，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%。整個結構參數選取如下:光子晶體晶格常數a=0.482um;介質(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，即把已經經過兩個邊緣切除處理的，結構相同的另一單塊的光子晶體逆時針旋轉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，在右側光子晶體平板下側0.2μπι處放置點光源，光線經過右側光子晶體平板的負折射后，匯聚到兩光子晶體平板之間，接著匯聚的光線繼續入射到左側光子晶體平板，再經歷一次負折射后，匯聚到左側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90°的光子晶體，組合在一起的兩塊光子晶體幾乎可以實現180°亞波長成像，通過調整兩塊光子晶體之間的角度和相對位置，我們可以實現不同方向不同位置的亞波長成像。
【主權項】
1.一種基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，其特征在于，由兩塊內部結構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放置點光源，光線從底邊入射經過右邊光子晶體的負折射后，從斜邊出射匯聚到兩光子晶體之間，接著匯聚的光線繼續入射到左邊光子晶體底邊，再經歷一次負折射后，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，實現了 180°成像。2.根據權利要求1所述基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，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.根據權利要求2所述基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，其特征在于，所述光子晶體進行邊緣切除，邊緣的空氣孔按統一的比例切除。4.根據權利要求1或2所述基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，其特征在于，所述光子晶體基底介質為硅介質，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.根據權利要求4所述基于二維光子晶體負折射效應的亞波長成像器件，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
【發明人】梁斌明, 馬宏亮, 莊松林
【申請人】上海理工大學