基于全介质超表面的多焦点光纤透镜的制作方法

文档序号:19212953发布日期:2019-11-26 01:25阅读:496来源:国知局
基于全介质超表面的多焦点光纤透镜的制作方法

本发明涉及一种基于全介质超表面的多焦点光纤透镜,属于光学技术领域。



背景技术:

光束整形可以提供各种不同寻常的光束轮廓,其在光学微捕获、全息图像和光束聚焦等领域中起重要作用,目前已成为研究热点。传统的光学透镜可以对光束进行偏折、发散和汇聚等功能。但是其尺寸大,不利于光学集成。另外,衍射光学元件也可以对光束进行调控,但是会产生色差、多个衍射级,造成不必要的光学损失。金属表面等离子体可以在纳米级别的厚度实现对光束完全操控,利于光学集成,但是金属的内在损耗使得光的利用效率太低,光束偏折、反射和聚焦的效率并不理想。全介质超表面作为超材料的降维结构,设计简单,匹配当前制造工艺,能对光束进行完全调控,效率高,全介质超表面的光学器件受到了越来越多的关注。

米氏谐振是光和全介质纳米颗粒中的电偶极子和磁偶极子相互作用所引起的一种偶极子谐振,在这种相互作用中,入射光会改变自身的偏振、振幅和相位。通过电偶极子与磁偶极子之间相互作用,能够实现对光传播的主动操控。由此产生的出射光能够克服衍射极限,产生许多新颖的光学现象,如负折射、超高分辨率成像、透射增强、波前整形等。全介质超表面在开发小型化的光子器件方面具有明显的优势。但基于传统波导全介质超表面的光学器件应用时需要精确的对准装置,需要固定器件的系列装置,光倾斜入射也会影响器件的性能。光纤具有好的柔韧性,长的传输距离,将全介质超表面和光纤结合将更加利于光学系统集成,器件的体积被大大减小。基于全介质超表面的透镜亦有报导,但多数为聚焦单一焦点,限制了其应用范围。



技术实现要素:

本发明的目的是为了将全介质超表面和光纤结合产生多个轴向聚焦焦点,对光束进行完全调控而提供一种基于全介质超表面的多焦点光纤透镜。

本发明的目的是这样实现的:基于全介质超表面的多焦点光纤透镜,包括多模光纤,多模光纤的纤芯和包层端面均镀全介质膜,纤芯端面上的全介质膜表面刻有微纳条形谐振单元结构,微纳条形谐振单元结构是利用穿插法或分区法实现排列组合。

本发明还包括这样一些结构特征:

1、所述微纳条形谐振单元结构的高度与全介质膜厚相同,具体参数为:膜厚400-700纳米,介质条的宽度为50-400纳米,谐振单元周期为400-800纳米。

2、所述条形谐振单元结构在一个光纤透镜内是等高等周期的,但介质单元结构宽度不同,每个介质单元结构的宽度由公式计算出该点的相位,再去匹配相应的宽度,式中m是正整数,x是每个谐振单元距离纤芯中心的距离,是该位置的突变相位,f是设计的焦距,λ是入射波的波长,f取不同的值,对应不同的焦点。

3、所述条形谐振单元结构按光纤端面中心轴对称分布。

4、所述穿插法是:对作用于不同焦点的单个条形谐振单元逐次排列;所述分区法是:将光纤纤芯端面分成若干个区域,不同的区域排列作用于不同焦点的多个条形谐振单元。

5、所述全介质膜为非晶硅或tio2材料。

6、所述纤芯直径为50-100微米,包层直径为125微米。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:多焦点光纤透镜利用单层结构即可同时产生多个轴向聚焦焦点,在光捕获等领域具有重要意义;本发明基于全介质超表面的多焦点光纤透镜体积小,集成度高,效率高,易于实现全光纤集成,可以与现有光纤技术进行互联,在微光学器件中具有重要意义;同时由于光纤自身的柔韧性,该器件不需固定器件的系列装置,易于实际操作,提高了器件的稳定性。

附图说明

图1(a)是多模光纤横截面;图1(b)是基于全介质超表面的单焦点光纤透镜结构图;

图2(a)是条形谐振单元穿插法排列示意图;图2(b)是条形谐振单元分区法排列示意图;

图3(a)是基于全介质超表面的单焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;图3(b)是基于全介质超表面的单焦点光纤透镜的仿真效果图;

图4(a)是利用穿插法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;图4(b)是利用穿插法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的仿真效果图;

图5(a)是利用分区法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;图5(b)是利用分区法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的仿真效果图;

图6是基于全介质超表面的三焦点光纤透镜仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的在于提供一种基于全介质超表面的多焦点光纤透镜。该器件由多模光纤端面镀全介质膜,然后利用光学微加工技术在纤芯端面上的全介质膜表面刻写微纳条形谐振单元结构。其工作原理是基于米氏谐振,利用条形谐振单元的偶极子谐振对纤芯的光附加突变相位,再出射到自由空间。多个谐振单元对光束具有不同的调制程度,从而整体影响出射光束的波前。

基于全介质超表面的多焦点光纤透镜,多模光纤端面纤芯1和包层2均镀全介质膜,然后利用光学微加工技术在纤芯端面上的全介质膜表面刻写微纳条形谐振单元结构3,利用穿插法或分区法来实现聚焦多个焦点的条形谐振单元的排列组合,光纤可同时产生多个轴向聚焦焦点。条形谐振单元3的高度与介质膜厚相同,膜厚400-700纳米,介质条的宽度50-400纳米;谐振单元周期为400-800纳米。一个光纤透镜内谐振单元3是等高等周期的,但介质单元宽度是不同的,进而获得不同大小的突变相位,实现不同焦距的光束聚焦。每个条形谐振单元3的宽度由公式计算出突变相位,再找出其对应的宽度。其中m是正整数,x是第n个谐振单元距离纤芯的距离,是该点的突变相位,f是设计的焦距,λ是入射光束的波长。所述光纤透镜不仅可以聚焦一个焦点,也可以同时聚焦两个及两个以上数量的焦点。为实现多个焦点的光束聚焦,相位公式中f取多个值,需要计算出多个相位分布曲线。介质为非晶硅或tio2等高折射率介质材料。所述的多模光纤纤芯1的直径为50-100微米,包层2直径125微米,纤芯1端面足够大,能够摆放足够多的条形谐振单元来高效操控光束。所述的纤芯端面上的条形谐振单元3是按照纤芯中心轴线对称分布,从而造成不同的附加相位,可以同时聚焦两个及两个以上数量的焦点。所述的穿插法是指对作用于不同焦点的单个条形谐振单元逐次排列;而分区法是把光纤纤芯端面分成若干个区域,不同的区域排列作用于不用焦点的多个条形谐振单元。多焦点光纤透镜可以工作在可见光及近红外光波段。

实施例1:

基于全介质超表面的单焦点光纤透镜,附图1(a)是多模光纤横截面;(b)是基于全介质超表面的单焦点光纤透镜结构图;附图3(a)是基于全介质超表面的单焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;多模光纤端面纤芯1和包层2均镀600nm厚的非晶硅膜,然后利用聚焦离子束技术在纤芯1的端面上分别刻多个高为600nm,周期为500nm,长度覆盖光纤纤芯的条形谐振单元3。条形谐振单元3按照光纤纤芯中心轴对称分布,每个介质结构的宽度由公式计算出突变相位,再找出其对应的宽度。其中m是正整数,x是每个谐振单元距离纤芯中心的距离,是该位置的附加相位,f是焦距,λ是入射光束的波长。当f=100μm时,条形谐振单元的排列如图1(b)所示,先按照设计要求计算出相位分布曲线,如图3(a)所示,然后每隔500nm取点作为谐振单元的位置,不同宽度的介质结构所获得的附加相位要符合图3(a)相位分布曲线,条形谐振单元全都作用于单个焦点。波长为1300nm,偏振态平行于介质条方向的光入射,117个介质结构时计算的场分布如图3(b)。可以看出在远场100微米处有一个焦点,实现了单焦点聚焦。

实施例2:

分别利用穿插法和分区法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜,附图2(a)是条形谐振单元穿插法排列示意图;3-1聚焦f1,3-2聚焦f2,(b)是条形谐振单元分区法排列示意图;3-1聚焦f1,3-2聚焦f2;附图4(a)是利用穿插法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;(b)是利用穿插法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的仿真效果图;附图5(a)是利用分区法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的相位以及谐振单元的位置分布图;(b)是利用分区法设计的基于全介质超表面的双焦点光纤透镜的仿真效果图;多模光纤端面纤芯1和包层2均镀600nm厚的非晶硅膜,然后利用聚焦离子束技术在纤芯1的端面上分别刻多个高为600nm,周期为500nm,长度覆盖光纤纤芯的条形谐振单元3。条形谐振单元3按照光纤纤芯中心轴对称分布,每个介质结构的宽度由公式算出突变相位,再找出其对应的宽度。其中m是正整数,x是每个谐振单元距离纤芯中心的距离,是该位置的附加相位,f是焦距,λ是入射光束的波长。当f=50μm和100μm时,条形谐振单元的排列可以按照两种不同的方法:如图2(a)所示的穿插法和如图2(b)所示的分区法。穿插法是指对作用于不同焦点的单个条形谐振单元逐次排列,如图4(a)所示,第1个位置摆放单个聚焦50μm的条形谐振单元3-1,第2个位置就摆放单个聚焦100μm的条形谐振单元3-2,第3个位置摆放单个聚焦50μm的条形谐振单元3-1,第4个位置就摆放单个聚焦100μm的条形谐振单元3-2,以此类推;而分区法就是把光纤纤芯端面分成若干个区域,不同的区域排列作用于不同焦点的多个条形谐振单元,如图5(a)所示,在离纤芯中心距离较近的一段区域内摆放多个聚焦50μm的条形谐振单元3-1,在离纤芯中心距离较远的一段区域内摆放多个聚焦100μm的条形谐振单元3-2。偏振态平行于介质条方向的1300nm光入射,117个介质结构时,基于穿插法和基于分区法的远场分别如图4(b)和5(b)所示。可以看出在50微米和100微米处同时出现焦点,实现了轴向双焦点聚焦。

实施例3:

结合穿插法和分区法设计的基于全介质超表面的三焦点光纤透镜,附图2(a)是条形谐振单元穿插法排列示意图;3-1聚焦f1,3-2聚焦f2,(b)是条形谐振单元分区法排列示意图;3-1聚焦f1,3-2聚焦f2;附图6是基于全介质超表面的三焦点光纤透镜仿真效果图;多模光纤端面纤芯1和包层2均镀600nm厚的非晶硅膜,然后利用聚焦离子束技术在纤芯1的端面上分别刻多个高为600nm,周期为500nm,长度覆盖光纤纤芯的条形谐振单元3。条形谐振单元3按照光纤纤芯中心轴对称分布,每个介质结构的宽度由公式算出突变相位,再找出其对应的宽度。其中m是正整数,x是每个谐振单元距离纤芯中心的距离,是该位置的附加相位,f是焦距,λ是入射光束的波长。当f=100μm,150μm和250μm时,条形谐振单元的排列可以结合如图2(a)的穿插法和如图2(b)的分区法。在纤芯端面上穿插分区:在纤芯中心的一侧分6个区域(另一侧排列对称结构),前三个区域依次作用于100μm,150μm和250μm,后三个区域按照相同的方式排列条形谐振单元。偏振态平行于介质条方向的1300nm光入射,117个介质结构时计算的场分布如图6。可以看出在52μm,88μm和139μm处同时出现焦点,实现了轴向三焦点聚焦。

综上,本发明提供了一种基于全介质超表面的多焦点光纤透镜,该器件由多模光纤端面镀介质膜,然后利用光学微加工技术在纤芯附近的介质膜上刻写多个微纳条形谐振单元结构。光束入射到介质谐振单元上产生的电偶极子和磁偶极子共振而引起米氏谐振,光纤透镜利用米氏谐振对出射光束进行调控,即附加突变相位。出射光束的附加相位由单个谐振单元的尺寸和结构来确定,多焦点光纤透镜利用穿插法或分区法在纤芯端面进行谐振单元分布的设计,以满足多个焦点聚焦的附加相位分布。该多焦点光纤透镜可同时产生多个轴向聚焦焦点,它不需要利用体积较大的空间相位调制器,也不需要精确的对准装置,其集成到单根光纤波导中,器件的体积被大大减小,由于光纤的柔韧性,该探针不需固定器件的系列装置,在光学集成中具有重要应用。

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