CN102236118B

CN102236118B - 一种平面结构闪耀光栅

Info

Publication number: CN102236118B
Application number: CN 201010169432
Authority: CN
Inventors: 曹扬; 李宏强; 魏泽勇; 武超; 樊元成; 余兴; 韩缙; 张冶文; 陈鸿
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: CN102236118A

Abstract

一种平面结构闪耀光栅，其包括上表面金属结构层、介质层和金属底板层，从上至下依次相叠，上表面金属结构层由周期排列的金属单元结构组成，其每一个金属结构单元与其下方的介质和金属底板构成了一个光学微腔，与入射光形成磁谐振。相邻光学微腔(及之间的间距)可以相同或者不同。金属底板上表面需经过抛光处理，其表面粗糙度不应大于工作波长的十分之一，介质层为由金属底板层的上表面镀一层均匀介质膜形成，介质层上表面通过磁控溅射再镀一层金属薄膜，上表面金属结构层通过在该层金属薄膜光刻、电子束刻蚀方法制作。本发明一级衍射效率在红外、太赫兹波段高达100％，可见光波段金属有光吸收，也可达到90％以上，且结构简单，制作方便。

Description

一种平面结构闪耀光栅

技术领域

本发明涉及一种闪耀光栅，尤其是可用于光栅光谱仪、精密测量、激光整形等领域的平面结构闪耀光栅。

背景技术

衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，但是在普通的衍射光栅中，没有色散特性的零级衍射光占据了很大一部分能量，而其他级次尤其是高级次的衍射光强度较弱。为了克服这个问题，利用刻槽的特定形状形成的反射光栅可以将衍射光集中在某一特定级次的光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。通常在光栅光谱仪中多数采用闪耀光栅作为分光器件。闪耀光栅的刻槽呈锯齿型，刻槽面与光栅面之间有一倾角ε，称为闪耀角。当某一级衍射光方向与槽面的反射方向一致时，可以将衍射光强极大值从无色散特性的零级光调整到相应的衍射级次上。对于波长为λ_b的一级衍射光，可以通过光栅方程d[sinα-sin(α-2ε)]＝λ_b来设计闪耀波长和闪耀方向，其中α是入射角，β＝α-2ε是一级衍射光方向，即闪耀方向，λ_b是闪耀波长，ε是闪耀角。在闪耀峰值波长上，一级衍射效率可以达到70％～80％。但由于采用立体结构，刻槽面与光栅面要求特定的倾角，加工精度要求很高，工艺繁复。由于制作时的误差，可能引起某方向上某些不希望出现的波长干涉相长而产生极大值，使光谱分析复杂化。这大大限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面结构闪耀光栅，与现有的锯齿形闪耀光栅相比，本发明为平面结构，制作容易，且其能完全抑制零阶反射，红外、太赫兹一级衍射效率高达100％，可见光波段金属有光吸收，但也达到90％以上。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明需包含上表面金属结构层、介质层和金属底板层，这三层从上至下依次相叠。

金属底板层作为整个结构的支撑底板，可根据力学性能等的需要选取金属厚度、种类，金属底板上表面需经过抛光处理，其表面粗糙度不应大于工作波长的十分之一，是一个理想反射面。介质层为一层均匀的电介质，厚度要求是光学亚波长厚度，通常比光波波长二分之一小。介质层可由金属底板层的上表面镀一层均匀介质膜形成，电介质的介电常数无特殊要求，可以是低介电常数的氧化硅，也可以是氧化铝，硅等材料。介质层上表面可通过磁控溅射再镀一层金属薄膜，上表面金属结构层可通过在该层金属薄膜光刻、电子束刻蚀等方法制作。

上表面金属结构层由周期排列的金属单元结构组成，可以是一维形式的金属带排成光栅结构或者复式光栅结构，也可以是金属方片，金属圆片或者金属同轴环等结构排列而成的二维阵列。上表面金属结构层的每一个金属结构单元与其下方的介质和金属底板构成了一个光学微腔，与入射光形成磁谐振。整体结构可以表述为一维或者二维排列的复式磁原子链或者磁原子表面。谐振单元通过周期结构的布拉格散射机制形成表面谐振态，此表面谐振态与入射光强耦合，吸收的入射光能量通过磁原子链或者磁原子表面重新分配，通过-1阶衍射通道和0阶反射通道重新辐射到自由空间。当入射光的水平波矢等于周期结构的布里渊区边界时，这种耦合效果达到最强，所有的入射光能量将以-1阶的形式反射到自由空间，不考虑金属的吸收情况下，衍射效率达到100％。为了产生足够强的布拉格散射，周期结构的周期数需大于10，周期长度一般等于工作波长的0.2倍到2倍，具体大小还依赖于结构单元的单元形式。工作波长可由上表面金属结构层的周期来调节，周期越长，工作波长越长。闪耀角可由上表面复式周期结构决定，具体可以调节两种金属单元的尺寸比例，或者同种金属单元的间距比例来控制。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、由于本发明利用一种平面超晶格周期结构来调控入射光的衍射，上表面金属结构层，介质层和下底板金属层组成的磁谐振表面态在布里渊区边界能与入射光发生强耦合，能量通过布拉格散射机制全部转化为-1阶衍射光，衍射效率高，红外、太赫兹波段能达到100％，可见光波段金属有强吸收，衍射效率也能达到90％以上。

2、本发明的磁谐振表面态通过结构参数控制，因此工作波长可由周期长度控制。

3、本发明通过其磁谐振表面态与入射光发生耦合，在布里渊区边界耦合效率达到最大，全部能量以-1阶衍射波形式反射到自由空间，入射角等于反射角，闪耀角可以通过周期单元的两种或多种结构尺寸的对比度控制，对比度越高，闪耀角越大。

4、本发明所需的三层结构均为平面结构，加工容易，加工精度高，成本低廉。

附图说明

图1是现有闪耀光栅的结构示意图。

图2A是本发明平面闪耀光栅的第一实施例结构示意图。

图2B是本发明平面闪耀光栅的第一实施例结构的剖面图。

图2C是本发明平面闪耀光栅的第一实施例结构的正视图。

图3A是FDTD仿真的高斯光波斜角度入射到本发明平面闪耀光栅第一实施例的示意图。

图3B是FDTD仿真的高斯光波斜角度入射到光滑金属表面的示意图。

图4A是实验测量的高斯光波入射到本发明平面结构闪耀光栅第一实施例的反射波角度谱。

图4B是实验测量的高斯光波入射到光滑金属表面的反射波角度谱。

图5是本发明平面闪耀光栅的第二实施例上表面金属结构层示意图。

图6是本发明平面闪耀光栅的第三实施例上表面金属结构层示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

图2A、图2B和图2C显示本发明平面结构闪耀光栅第一实施例的结构示意图。本发明平面结构闪耀光栅第一实施例由上表面金属结构层1、介质层2和金属底板层3依次相叠而成。这三层均为平面结构，与现有的锯齿形闪耀光栅(图1)相比，本发明闪耀光栅第一实施例为平面结构，制作容易。

金属底板层3作为本发明闪耀光栅的支撑层和下表面反射层，其大小和厚度可根据具体要求设计，本发明闪耀光栅第一实施例的金属底板选取4mm×4mm大小光滑铝板，上表面抛光后精确镀一层厚度为1微米的氧化硅薄膜，介电常数为2.1。介质层2上表面可通过磁控溅射等方法再镀一层金属薄膜，上表面金属结构层1可通过在这层金属光刻、电子束刻蚀等方法制作。

本发明闪耀光栅第一实施例上表面金属结构层1采取一维复式光栅结构，周期单元由两块宽度不一样的金属带组成。图2B和图2C显示了第一实施例的两个周期的结构示意图。由这两个金属条组成的周期单元在平面上周期排列构成了上表面金属结构层。周期大小p决定了本发明闪耀光栅的工作波长，可以根据具体要求进行设计。本发明第一实施例的周期大小p为28微米。其闪耀波长为35.2微米，大约为周期长度的1.26倍，两个金属条的宽度b和a分别为6微米和20微米。金属条的间距g1和g2都等于1微米。

图3A显示了波长为35.2微米的入射光以45度入射角入射到本发明闪耀光栅第一实施例的时域有限差分法仿真图。图中显示入射波被反射到了入射光的入射方向达到闪耀光栅作用，与之对应的是图3B显示的光滑金属的镜面反射结果。图4A显示了波长为35.2微米的入射平面波入射到本发明闪耀光栅第一实施例反射角度谱测量图。图中显示，45度入射波被完全反射到了-45度的方向上，衍射效率达到100％，与之相对应的光滑金属表面(图4B)则形成镜面反射反射到45度的方向上。可见本发明第一实施例的优点之一是：衍射效率高，对于红外波段，可达到100％以上，对于可见光频段，可达到90％以上。

上述实施例只是本发明平面结构闪耀光栅的一个较佳实施例，本发明闪耀光栅还可以有很多其他结构。上表面平面结构层的图案不限于第一实施例的形状，图5、图6分别显示了第二、第三实施例的上表面平面结构层的图案示意图，在第二实施例中，上表面平面金属结构层的单个周期由三个相同宽度的金属条构成，金属条之间存在两种不同宽度的间隙。在第三实施例中，上表面平面金属结构层的结构由二维排列的金属片组成，每个周期中包含两种不同大小的金属片。这两种金属片也可替代成长方形的金属片，或者金属圆片，或者金属圆环的形式。

本发明的平面结构闪耀光栅可以设计成单个线偏振或者两个偏振各项同性的闪耀光栅，可以被应用在各种需要各向异性或者各向同性的场合。

本发明的光栅可实现100％的一级衍射效率。且其为平面结构、厚度超薄、结构简单、易于制作。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种平面结构闪耀光栅，其特征在于：其包括上表面金属结构层、介质层和金属底板层，从上至下依次相叠，上表面金属结构层的每一个金属结构单元与其下方的介质和金属底板构成了一个光学微腔，与入射光形成磁谐振；

所述上表面金属结构层由周期排列的金属单元结构组成；

所述介质层为一层均匀的电介质；

所述金属底板上表面经过抛光处理，其表面粗糙度不大于工作波长的十分之一；

所述介质层的厚度要求是光学亚波长厚度，比光波波长二分之一小。

2.如权利要求1所述的平面结构闪耀光栅，其特征在于：所述上表面金属结构层的每个周期单元由两种或两种以上金属结构组成，或者由同一种金属结构组成，金属结构之间具有相同或者不同的间距。

3.如权利要求2所述的平面结构闪耀光栅，其特征在于：所述金属单元结构为一维形式的金属带排成光栅结构或者复式光栅结构。

4.如权利要求2所述的平面结构闪耀光栅，其特征在于：所述金属单元结构为具有二维阵列形式的金属方片、金属圆片或者金属同轴环周期结构或者复式格子结构。

5.如权利要求1所述的平面结构闪耀光栅，其特征在于：所述金属单元周期结构的周期数需大于10，周期长度等于工作波长的0.2倍到2倍。