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一种用于实现柱矢量光束亚 波长聚焦的透镜

阅读：119发布：2021-06-06

专利汇可以提供一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型揭示了一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，该透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，在双曲超材料的上下表面分别设有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构。双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成。双曲超材料的半径r=130μm，其中电介质层厚度dD=50nm，电介质为二氧化硅，石墨烯层的厚度dG=0.335nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。本实用新型使用石墨烯代替金属来实现双曲超材料特性，极大地提高结构的集成度。入射光栅可以使柱矢量光束耦合进入双曲超材料，出射光栅可以使光在出射端形成行波，光栅的存在极大地增大了柱矢量光束的入射和出射。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：该透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，在双曲超材料的上下表面分别设有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：所述双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成。
3.根据权利要求1所述的一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：所述双曲超材料的半径r＝130μm，其中电介质层厚度dD＝50nm，电介质为二氧化硅，石墨烯层的厚度dG＝0.335nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。
4.根据权利要求1所述的一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：所述出射光栅和入射光栅选用的材料均为金属Cr。
5.根据权利要求1所述的一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：所述入射光栅的光栅常数a1＝10μm，出射光栅的光栅常数a2＝13μm，出射光栅和入射光栅的高度h＝0.1μm，出射光栅和入射光栅狭缝的宽度b＝2μm。
6.根据权利要求1所述的一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，其特征在于：柱矢量光束入射波长为20μm，电介质的介电常数为2.2，单层石墨烯的介电常数为-698.2-
7.09i。

说明书全文

一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，可用于人工微结构设计和精细光场调控技术领域。

背景技术

[0002] 柱矢量光束是一种偏振态在横截面呈柱对称分布的矢量光束，与传统的线偏振光、圆偏振光等标量光束不同，按照柱矢量光束的电场在空间上的分布特点可以将其分为径向偏振光、旋向偏振光和一般柱矢量光束，正是这种独特的偏振态分布特点使其在亚波长聚焦和人工微结构设计等方面具有潜在应用价值。通过人工微结构所能实现的一一些独特效应，如双曲超材料所具有的双曲色散特性，可以实现对柱矢量光束空间分布的调控。

[0003] 传统的双曲超材料是由具有金属特性的材料和电介质材料交替排列所组成的一种分层结构，其组成材料是由处于深度亚波长尺度的电介质和具有金属特性的材料交替排列组成。近年来，研究发现石墨烯在近红外至太赫兹波段有较好的光学响应，其表现出的特性与薄金属层在光学波段所表现出的性质类似，所以在太赫兹波段可以使用石墨烯代替金属来实现双曲超材料特性。发明内容

[0004] 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，提出一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜。

[0005] 本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，该透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，在双曲超材料的上下表面分别设有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构。

[0006] 优选地，所述双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成。

[0007] 优选地，所述双曲超材料的半径r＝130μm，其中电介质层厚度dD＝50nm，电介质为二氧化硅，石墨烯层的厚度dG＝0.335nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。

[0008] 优选地，所述出射光栅和入射光栅选用的材料均为金属Cr。

[0009] 优选地，所述入射光栅的光栅常数a1＝10μm，出射光栅的光栅常数a2＝13μm，出射光栅和入射光栅的高度h＝0.1μm，出射光栅和入射光栅狭缝的宽度b＝2μm。

[0010] 优选地，柱矢量光束入射波长为20μm，电介质的介电常数为2.2，单层石墨烯的介电常数为-698.2-7.09i。

[0011] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0012] (1)本实用新型专利结构简单，采用石墨烯与电介质交替排列的分层结构构成双曲超材料，易于设计。

[0013] (2)本实用新型专利使用石墨烯代替金属来实现双曲超材料特性，极大地提高结构的集成度。

[0014] (3)本实用新型专利入射光栅可以使柱矢量光束耦合进入双曲超材料，出射光栅可以使光在出射端形成行波，光栅的存在极大地增大了柱矢量光束的入射和出射。附图说明

[0015] 图1为本实用新型的一种实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜结构图。

[0016] 图2为本实用新型的一种实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜沿轴线截面示意图。

[0017] 图3为本实用新型的波长为20μm的柱矢量光束入射时，光线聚焦等值线图。

[0018] 图4为本实用新型的焦点中心等高处电场强度分布示意图。

具体实施方式

[0019] 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。

[0020] 本实用新型揭示了一种用于实现柱矢量光束亚波长聚焦的透镜，该透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，在双曲超材料的上下表面分别设有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构，所述双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成。

[0021] 如图1和图2所示，该亚波长聚焦透镜呈圆柱形结构，其中圆柱部分由双曲超材料构成，半径r＝130μm。双曲超材料是由电介质与石墨烯交替排列构成，其中电介质(二氧化硅)层厚度dD＝50nm，石墨烯层的厚度dG＝0.335nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。在波长为20μm的柱矢量光束入射下，电介质(二氧化硅)的介电常数εD＝2.2，单层石墨烯的介电常数εG＝-698.2-7.09i。

[0022] 在双曲超材料的上下表面分别有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构，入射光栅的光栅常数a1＝10μm，出射光栅的光栅常数a2＝13μm，出射光栅和入射光栅的高度h＝0.1μm，出射光栅和入射光栅狭缝的宽度b＝2μm，出射光栅和入射光栅选用的材料为金属Cr。在本技术方案中，入射光栅可以使柱矢量光束耦合进入双曲超材料，出射光栅可以使光在出射端形成行波，光栅的存在极大增大了柱矢量光束的入射和出射。

[0023] 当波长为20μm的柱矢量光束从双曲超材料的下表面入射时，由于该透镜对柱矢量光束的会聚作用，光束可以在上表面附近的中心轴线上形成一个焦点，焦点的尺寸为亚波长量级。当波长为20μm的柱矢量光束从双曲超材料的下表面入射时，光线在上表面中心轴线处会聚成一个焦点，焦点的尺寸为亚波长量级，对柱矢量光束具有良好的聚焦效果。

[0024] 图3是利用COMSOL仿真软件得到的仿真结果，可以看到，当波长为20μm的柱矢量光束入射时，光线经过透镜的会聚作用，在出射端形成一个焦点，焦点的尺寸达到亚波长量级，透镜对于柱矢量光束具有良好的聚焦效果。

[0025] 图4是双曲超材料上表面与焦点中心等高处，电场强度分布示意图，横坐标表示双曲超材料圆柱的半径，纵坐标表示电场模的平方。图4中可以看出，场强集中在焦点附近，且场强曲线半高宽为0.55λ，表明聚焦效果良好。本实用新型结构简单，体积小巧，在光学集成、光场调控领域有一定的应用价值。

[0026] 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。

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