[发明专利]一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件

摘要

一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，从上到下依次为金属条形天线阵列、介质层、金属膜层和基底层。金属条形天线阵列单元是由金属条形天线沿Y方向以T_y为周期排列形成的Y方向阵列结构，金属条形天线阵列单元沿X方向以周期T_x排列形成金属条形天线阵列。对于给定入射光波长λ、选择金属材料、介质层材料和金属条形天线厚度，并改变金属条长度L和宽度W，实现空间平面内反射光振幅和相位的调控，根据振幅空间分布A(x_i)和相位空间分布P(x_i)，得出的中心位置位于x_i的第i个金属条形天线的长度L_i和宽度W_i，进而对反射光实现远场超衍射线聚焦功能。本发明可突破衍射极限，实现小于衍射极限的焦斑尺寸、旁瓣峰值比低、峰值强度高。

主权项

1.一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，用于实现远场超衍射线聚焦；其特征在于包括基底（1）、金属膜层（2）、介质层（3）和金属条形天线阵列（6）；所述基底（1）是厚度为t1的介质材料；所述金属膜层（2）是厚度为t2的金属材料膜，位于基底上；所述介质层（3）是厚度为t3的介质膜，位于金属膜层上；所述金属条形天线阵列（6）分布于介质层上，金属条形天线阵列（6）是以介质层为参考平面建立三维坐标系，由金属条形天线阵列单元（5）沿X方向以周期Tx排列形成的金属条形天线结构阵列；所述金属条形天线阵列单元（5）是由金属条形天线（4）沿Y方向以Ty为周期排列形成的Y方向阵列结构；金属条形天线（4）是Y方向长度为L、X方向宽度为W、厚度为t4的金属条形结构；其中在X方向位于xi的金属条形天线阵列单元，其金属条形天线长度为Li、宽度为Wi、厚度为t4；对于给定的线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，根据金属条形天线长度L、宽度W与反射光振幅A(L，W)、相位P(L，W)的函数关系，得到金属条形天线长度Li和宽度Wi与坐标xi的关系，满足线聚焦器件实现超衍射线聚焦功能所需的器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，进而实现对反射光的实现超衍射线聚焦功能；对于给定的入射光波长λ，通过选择金属材料、介质层材料和金属条形天线厚度t4，并改变各金属条形天线阵列单元的金属条形天线长度L和宽度W，实现空间平面内反射光振幅和相位的调控，进而对反射光实现远场超衍射线聚焦功能；并且确定金属膜层的材料、金属膜层的厚度t2、介质层厚度t3、金属条形天线材料、天线厚度t4、长度L、宽度W、阵列周期Tx和Ty的方法如下：（1）根据给定的入射光波长λ，采用有限元法求解麦克斯韦方程，选用金属膜层的材料与厚度t2，使其振幅反射率大于85%；同时金属材料能满足反射光相位调控范围大于π且小于等于2π；（2）根据给定的入射光波长λ，采用有限元法求解麦克斯韦方程，在平面波垂直入射条件下，通过控制变量法，分别计算介质层厚度t3、金属条形天线长度L、宽度W、厚度t4以及周期Tx和Ty对反射光振幅和相位变化的影响，遵循使反射光振幅尽可能大，且反射光相位调制范围尽可能大的原则来优化介质层厚度t3、金属条形天线长度L、宽度W、厚度t4以及周期Tx和Ty；（3）通过有限元法数值模拟，对于给定的入射光波长λ，平面波垂直入射条件下，根据优化后的参数：在金属膜层的厚度为t2、介质层厚度为t3、金属条形天线厚度为t4、周期Tx和Ty，对不同金属条形天线长度L和宽度W，求解反射光的振幅A(L,W)和相位P(L,W)；（4）采用优化设计方法，根据线聚焦目标参数，包括焦距、焦斑峰值、焦斑半高全宽、旁瓣峰值比即最大旁瓣与焦斑峰值之比值，求解线聚焦器件所需的空间振幅分布A(xi)和相位分布P(xi)，确定空间位置xi处的金属条形天线的长度Li和宽度Wi，以实现反射式超衍射线聚焦器件。