提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，屬于光學(xué)器件【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括光源、探測器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，兩板均為二維光子晶體，通過在GaAs介質(zhì)基底刻蝕三角晶格排列的圓柱型空氣孔制成；光源位于下板下方，其與下板下表面之間的縱向距離為λ，橫向位于兩板的中間，光源的中心頻率為0.3068a/λ，探測器與光源組合在一起，待觀測目標(biāo)位于上板上方，并處在光源的正上方，a為二維光子晶體的晶格常數(shù)，λ等于1/0.3068um。本發(fā)明能夠更好地提高光子晶體透鏡系統(tǒng)的再聚焦分辨率，從而能夠更好地優(yōu)化探測成像系統(tǒng)的性能。
【專利說明】提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)器件【技術(shù)領(lǐng)域】，更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及一種利用光子晶體平板的負(fù)折射效應(yīng)制作超透鏡的光學(xué)器件技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的成像器件——透鏡，主要是依靠其表面的曲率來使光學(xué)系統(tǒng)成像。梯度折射率透鏡是由折射率沿徑向呈拋物線分布的圓柱狀介質(zhì)構(gòu)成的，能起到聚(散)光或成像兩種作用。由于和傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，它具有聚焦光斑直徑很小及分辨率高的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于光纖耦合、分光、分波、光開關(guān)、復(fù)印機(jī)小型化、激光光盤放錄等。
[0003]近來，左手材料LHM在近場目標(biāo)探測及成像上也得到了人們的特別關(guān)注，具有平坦表面的負(fù)折射率LHM平板透鏡亦被提出用作聚焦透鏡。理論分析及數(shù)值模擬表明由LHM制作而成的無損耗的所謂完美透鏡將獲得突破衍射極限的聚焦分辨率，且較高的聚焦分辨率通常會產(chǎn)生較高的圖像分辨率。
[0004]然而，雖然LHM平板透鏡在近場目標(biāo)探測及成像方面取得了顯著的成績，但遺憾的是，自然界中迄今尚未發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的天然LHM材料。為此，Notomi曾深入研究和闡述通過不同的方法在二維光子晶體(PC)模型中獲得介質(zhì)的等效負(fù)折射率。在這種光子晶體中，在接近禁帶附近的等頻率線會近似為圓形，這意味著在這些頻率范圍內(nèi)，光在光子晶體中的傳播類似于在普通各向同性介質(zhì)中傳播。這樣，我們可以用等效折射率nrff來描述光在此晶體中的傳播，由此產(chǎn)生等效負(fù)折射光子晶體(NR-PC)概念。NR-PC平板透鏡的成像遵循幾何光學(xué)特性，因而可以將其應(yīng)用于光波目標(biāo)探測及成像系統(tǒng)中。文獻(xiàn) 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 (以下稱為文獻(xiàn)I和2)即利用負(fù)折射光子晶體透鏡進(jìn)行了微波探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:為了更好地提高光子晶體透鏡系統(tǒng)的再聚焦分辨率、優(yōu)化探測成像系統(tǒng)的性能，提供一種提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，從而突破傳統(tǒng)成像的“衍射極限”，極大地提高了成像分辨率，實(shí)現(xiàn)對微細(xì)結(jié)構(gòu)的“完美成像”。
[0006]具體地說，本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，包括光源、探測器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，兩板均為二維光子晶體，通過在GaAs介質(zhì)基底刻蝕三角晶格排列的圓柱型空氣孔制成；光源位于下板下方，其與下板下表面之間的縱向距離為入，橫向位于兩板的中間，光源的中心頻率為0.3068a/X ;探測器與光源組合在一起，待探測目標(biāo)位于上板上方，并處在光源的正上方；上述a為二維光子晶體的晶格常數(shù)，λ等于1/0.3068um。[0007]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:GaAs介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)ε =12.96，空氣孔的半徑是0.4a，空氣孔在GaAs介質(zhì)基底上的排列為縱向7行、橫向取30列。
[0008]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:上板、下板的縱向厚度均為2 λ。
[0009]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:待探測目標(biāo)位與下板上表面之間的縱向距離為
3.91 λ。
[0010]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:上板下表面與下板下表面之間的縱向距離為10~12um。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:上板下表面與下板下表面之間的縱向距離為llum。
[0012]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:上板和/或下板存在點(diǎn)缺陷。。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明能夠更好地提高光子晶體透鏡系統(tǒng)的再聚焦分辨率、優(yōu)化探測成像系統(tǒng)的性能,從而突破傳統(tǒng)成像的“衍射極限”,極大地提高了成像分辨率，實(shí)現(xiàn)對微細(xì)結(jié)構(gòu)的“完美成像”。本發(fā)明的雙平板透鏡系統(tǒng)，平板之間的距離可以靈活的調(diào)整，從而可以找到一個恰當(dāng)?shù)奈恢?，使得其聚焦分辨率最佳?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為NR-PC平板透鏡成像及目標(biāo)探測示意圖。
[0015]圖2為光子晶體的等效折射率nrff隨頻率ω變化曲線圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的雙平板透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖4為本發(fā)明的上板存在點(diǎn)缺陷的雙平板透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖5為本發(fā)明的下板存在點(diǎn)缺陷的雙平板透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面參照附圖并結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]如圖1所示，負(fù)折射光子晶體(NR-PC)平板透鏡可用于成像及目標(biāo)探測，即將NR-PC平板透鏡置于光源與待探測目標(biāo)之間，探測器與光源組合在一起，通過NR-PC平板透鏡實(shí)現(xiàn)成像和目標(biāo)探測。分析和計(jì)算表明，當(dāng)用NR-PC平板透鏡對目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)探測時，目標(biāo)的后向散射波再聚焦分辨率較未使用NR-PC平板透鏡時有顯著的提高，因此NR-PC平板透鏡在目標(biāo)探測成像領(lǐng)域能夠發(fā)揮重要作用。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，可以將上述無限長厚度的NR-PC平板透鏡設(shè)計(jì)為多種厚度的NR-PC平板透鏡進(jìn)行動態(tài)探測。
[0021]對于TM模結(jié)構(gòu)的光子晶體而言，其等效折射率neff是隨歸一化頻率ω (單位為a/λ，a為二維光子晶體的晶格常數(shù)，λ等于l/0.3068um)變化的。如圖2所示，當(dāng)
0.3 ^ ω ^ 0.35時，neff ( 0，且neff ^ -1時所對應(yīng)的歸一化頻率ω ^ 0.3068a/ λ ,即在歸一化頻率ω~0.3068a/λ時，光在光子晶體中傳播時將產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象。
[0022]不過，光在nrff=-l的光子晶體(PC)中的傳播方式完全不同于左手材料。對于n=_l的LHM來說，空氣與LHM之間的接觸面上將不會發(fā)生反射，而對于PC而言，即使nrff=_l，在其與空氣的接觸面上仍會發(fā)生多重反射和折射，這將導(dǎo)致光在光子晶體中的傳播有極大的損耗，其光能透射率T較低。因而，在優(yōu)化掃描-聚焦成像系統(tǒng)的性能之前，必須找到有效提高光子晶體的光能透射率的途徑。
[0023]為此，在本發(fā)明中，光源的中心頻率設(shè)為0.3068a/λ。該處原理在于，當(dāng)波源中心頻率為0.3068a/ λ時，在該NR-PC平板的歸一化頻率0.3068a/λ處，光子晶體的出射和入射平均能流的比值透射率Τ=4500，遠(yuǎn)大于1，即光波透射率在波源中心頻率為0.3068a/λ處得到極大的提高。這是由于光子晶體的等效負(fù)折射結(jié)構(gòu)的介質(zhì)呈周期性分布，當(dāng)光子晶體等效折射率常數(shù)neff=-l (它對應(yīng)的歸一化頻率ω~0.3068a/ λ )時，光波在該等效負(fù)折射光子晶體界面及內(nèi)部受強(qiáng)烈的布拉格散射的影響引起導(dǎo)模，進(jìn)而產(chǎn)生微禁帶效應(yīng)，同時，光子隧道貫穿極大地增強(qiáng)了共振激發(fā)效應(yīng)，使對于特定厚度的波導(dǎo)內(nèi)每個導(dǎo)模只能存在于較窄的頻段內(nèi)，它使能量被高度局域，這是場的頻域能量重新分配的結(jié)果，進(jìn)而大大增強(qiáng)了它們的透射率，導(dǎo)致它在對應(yīng)的歸一化頻率ω~0.3068a/λ處形成窄的共振激發(fā)透射峰，從而使得目標(biāo)處產(chǎn)生極強(qiáng)的后向散射波，使得后向散射波的再聚焦橫向掃描分辨率和圖像分辨率有了極大的提高，遠(yuǎn)高于0.2068a/ λ處分辨率近4倍多。
[0024]為了更好地提高探測成像系統(tǒng)的性能，本發(fā)明使用了 NR-PC雙平板透鏡組動態(tài)掃描方案。如圖3所示，本發(fā)明在保持目標(biāo)和光源不變的情況下，在原位置上放置NR-PC雙平板透鏡組，仍采取光源與探測器二者組合在一起。
[0025]具體而言，本發(fā)明中，包括光源、探測器、上板和下板，其中上板和下板相互平行，光源位于下板下方，其與下板下表面之間的縱向距離為λ，橫向位于兩板的中間，光源的中心頻率為0.3068a/λ ;探測器與光源組合在一起，待探測目標(biāo)位于上板上方，并處在光源的正上方。上板和下板均為二維光子晶體，可通過在GaAs介質(zhì)基底刻蝕三角晶格排列的圓柱型空氣孔制成，GaAs介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)ε可取為12.96，空氣孔的半徑可取0.4a，空氣孔在GaAs介質(zhì)基底上的排列可為縱向7行、橫向取30列。上板、下板的縱向厚度可取為2 λ。
[0026]探測時，將直徑D=1/6X的圓形PEC目標(biāo)(即待探測目標(biāo))置于距下板上表面ds=3.91 λ處，保持下板不動，并且改變雙板間的距離s(即上板下表面與下板下表面之間的縱向距離)分別為10Um、llUm、12Um，通過對目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)掃描，數(shù)值分析后即可得到相應(yīng)的散射信號歸一化場強(qiáng)電平分布剖·面圖。
[0027]本發(fā)明中的上板和下板可以存在點(diǎn)缺陷。如圖4、圖5所示，將存在點(diǎn)缺陷的NR-PC作為上板或下板(例如NR-PC中間間隔少2個孔)。不同位置的不同缺陷的圓孔NR-PC雙平
板透鏡對圓形目標(biāo)的再聚焦分辨率性能表如下表所示。
[0028]
陷情況
無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]從上表可知，在無缺陷NR-PC雙平板透鏡中，板距為Ilum的分辨率0.2646 λ要比板距為IOum和12um的好。下板有缺陷時也是在板距為Ilum時的存在最好的分辨率0.165 λ。與文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3中利用LHM平板透鏡對相同大小目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)掃描探測得到的再聚焦分辨率0.275 λ相比提高了 0.11 λ，與無缺陷NR-PC單板透鏡再聚焦分辨率
0.2564 λ相比提高了 0.0914 λ，與無缺陷NR-PC雙板透鏡組再聚焦分辨率0.2646 λ相比提高了 0.0996 λ。由此可見，在NR-PC雙平板透鏡組動態(tài)掃描探測系統(tǒng)中，平板之間的距離可以靈活的調(diào)整，從而可以找到一個恰當(dāng)?shù)奈恢?，使得其聚焦分辨率比較好，從而對優(yōu)化探測成像系統(tǒng)的性能。
[0030]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但實(shí)施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、探測器、上板和下板，其中: 上板和下板相互平行，兩板均為二維光子晶體，通過在GaAs介質(zhì)基底刻蝕三角晶格排列的圓柱型空氣孔制成； 光源位于下板下方，其與下板下表面之間的縱向距離為λ，橫向位于兩板的中間，光源的中心頻率為0.3068a/λ ;探測器與光源組合在一起，待探測目標(biāo)位于上板上方，并處在光源的正上方； 上述a為二維光子晶體的晶格常數(shù)，λ等于l/0.3068um。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于=GaAs介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)ε =12.96，空氣孔的半徑是0.4a，空氣孔在GaAs介質(zhì)基底上的排列為縱向7行、橫向取30列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于:上板、下板的縱向厚度均為2 λ。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于:待探測目標(biāo)位與下板上表面之間的縱向距離為3.91入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于:上板下表面與下板下表面之間的縱向距離為10?12um。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于:上板下表面與下板下表面之間的縱向距離為llum。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?5任一所述的提高再聚焦分辨率的負(fù)折射光子晶體雙平板透鏡系統(tǒng)，其特征在于:上板和/或下板存在點(diǎn)缺陷。
【文檔編號】G02B3/02GK103630999SQ201310544501
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】朱娜, 廉穎霏, 江曉明 申請人:江蘇大學(xué)