NR-PC平板透镜在聚焦成像和目标探测中的应用研究

摘要

基于负折射特性的超透镜具有亚波长成像特性,可突破传统光学成像的衍射极限,这一新颖的物理特性和诱人的应用前景引起了世界范围内科学研究人员的广泛关注,并已成为当前国际电磁学界和光电子学界非常前沿和热门的研究领域之一。其中,光子晶体便是制作这种超透镜的典型材料。光子晶体(PhotonicCrystal,即缩写为:PC)是一种介电常数随空间周期性变化的新型电磁材料,通过改变其介电常数和巧妙利用几何关系因素可以等效地实现负折射效应,即可以用等效折射率neff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(Negative,Refractive-PhotonicCrystal,即缩写为:NR-PC)概念。
　　 本文首先利用矢量平面波法讨论了二维三角晶格光子晶体的等效负折射特性,并得出其等效折射率neff≈-1时所对应的归一化频率f≈0.3068。之后,对NR-PC的光能透射特性进行了分析,发现由于微禁带及共振激发效应,光波透射率在波源归一化中心频率为fc=0.3068处可得到极大的提高,即可以出现极强的受激辐射放大现象。在此基础上,讨论了单个NR-PC平板透镜的聚焦成像条件及规律,并对由两个NR-PC平板组成的透镜组对点光源的聚焦成像规律进行了理论推导及验证,得出单个NR-PC平板透镜与相应NR-PC平板透镜组对点光源的成像规律等效一致的结论。
　　 之后,借助二维时域有限差分法研究了二维三角晶格等效负折射光子晶体(NR-PC)平板透镜在光波目标探测扫描中的重要作用。理论分析及数值模拟得到:当选取归一化中心频率为fc=0.3068的点光源入射该NR-PC平板透镜时,在目标处将会产生极强的后向散射波,相应后向散射波的再聚焦横向扫描分辨率和图像分辨率有极大的提高。同时,当利用NR-PC平板透镜对目标进行动态扫描探测时,目标的后向散射波再聚焦分辨率较未使用NR-PC平板透镜时提高近4倍。此外,通过将组合透镜扫描方案与常规动态扫描方案、非动态扫描方案进行对比,可以发现组合透镜扫描可以极大地提高系统的图像分辨率,具有一定的优越性。最后,讨论了NR-PC平板透镜厚度的不同对目标扫描探测系统性能的影响,发现相应的再聚焦分辨率会随着NR-PC平板透镜厚度的增加而得到明显提高,并最终趋于一个常数,说明利用有限厚度的NR-PC平板透镜可以近似实现理想无穷厚度下对目标的高分辨率探测。
　　 本文提出的基于NR-PC平板透镜的目标探测系统可以在LHM平板透镜难以涉足的光波目标扫描探测领域发挥重要作用,该研究对优化探测成像系统的性能、实现小目标的探测及成像具有十分重要的意义。