[发明专利]提高再聚焦分辨率的负折射光子晶体双平板透镜系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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n_eff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 target detection by using LHM flat lens.Opt Expr,2007,15(6):3312D3317和Wang G，Fang J R，Dong X T.Resolution of Near-field microwave target detection and imaging by using flat LHM lens.IEEE Trans Antennas Propog，2007,55(12):3534D3541（以下称为文献1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

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”。

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1/0.3068um。

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。

本发明的进一步特征在于：上板、下板的纵向厚度均为2λ。

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3.91λ。

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。

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11um。

本发明的进一步特征在于：上板和/或下板存在点缺陷。。

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。

附图说明

图1为NR-PC平板透镜成像及目标探测示意图。

图2为光子晶体的等效折射率n_eff随频率ω变化曲线图。

图3为本发明的双平板透镜系统的结构图。

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。