CN103364955A - 平面光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面光学元件及其设计方法。该平面光学元件的设计方法包括：设计一组具有确定离散相位的结构；以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列；由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由特定波长和偏振态的光束入射到该平面衍射光学元件上时所激发的具有垂直偏振态的辐射场的振幅和相位，从而达到对光束进行预期的整形的目的。本发明实施例设计的平面衍射光学元件，与预期参数相差甚微，可以实现理想的光束整形结果，填补了现有光学元件所不能实现的光束整形效果的空缺。

Description

平面光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种平面光学元件及其设计方法。

背景技术

传统的光学器件是依靠光传播过程中逐步积累的相移来实现对光束的整形。而通过在一定波长范围内引入相位突变的方法可以获得对光束进行整形的新的自由度。相位的突变可以通过适当设计两种不同介质的分界面来实现。当光束在具有空间变化相位响应和亚波长间隔的光学谐振阵列的分界面传播时，可以研究光传播过程中的这种相位不连续性。通过设计合适的光学谐振器模型，可以获得光束沿分界面等振幅的条件并得到一个常数相位梯度。光学谐振器中，出射光与入射光之间的相移跨越共振适当地进行变化。通过空间调整微阵列中谐振器的几何形状从而调制它的频率响应。通过任意方式设计沿分界面的相位不连续性可以重置反射光束和折射光束的波前形状。所用谐振器可选择电磁腔、纳米颗粒簇和等离子天线。其中等离子天线具有很大的光学可调谐性，并且易于制作成纳米厚度的平板天线，棒状天线的特性使其成为良好的电导体。

基于此机制，在硅基底上制作由金属天线组成的具有沿界面的线性相位变化的光学微阵列，由此可观察到反常反射和反常折射现象，这符合由费尔马原理推导得来的产生法则。可见，利用相位的不连续性为光束整形提供了极大的灵活性，可以对光束进行预期的整形效果。

目前，利用相位不连续性对光束整形的应用还很局限，尤其在设计光学元件方面，有待于进一步地研究。

发明内容

本发明的目的是利用相位的不连续性设计出特定结构的光学元件，实现预期的光束整形效果。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种平面光学元件，用于全波段的光束整形。该平面光学元件包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线微阵列包含多个天线阵元。

优选地，所述平面光学元件用于实现球透镜、球面镜、柱透镜或柱面镜的光束整形。

进一步优选地，所述天线阵元为狭缝，相邻的所述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之间为空气。

优选地，所述天线阵元为“V”字型结构或具有开口的矩形结构。

本发明实施例还提供了一种平面光学元件的设计方法。该方法包括：设计一组具有确定离散相位的结构；以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列；由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。

优选地，所述设计一组具有确定离散相位的结构的步骤具体为，根据入射光的波长、偏振方向和所述天线的固定结构参数设计所述天线的可变结构参数，并根据预设辐射场的特性挑选出适合的结构。

优选地，所述一组具有确定离散相位的结构激发的辐射场具有与入射光的偏振方向垂直的偏振态，具有等振幅和等相位间隔。

优选地，以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列的步骤具体为，预设所述平面光学元件的类型和相关参数，预置所述二维天线微阵列的形状和大小，设计所述二维天线微阵列的排布。

本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由特定波长和偏振态的光束入射到该平面衍射光学元件上时所激发的具有垂直偏振态的辐射场的振幅和相位，从而达到对光束进行预期的整形的目的，是一种很可靠的设计方法。本发明实施例设计的平面光学元件，与预期参数相差甚微，可以实现理想的光束整形结果，填补了现有光学元件所不能实现的光束整形效果的空缺。

附图说明

图1为本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图；

图2为本发明实施例的“V”字型天线阵元激发电场的示意图；

图3为本发明另一实施例的具有开口的矩形结构的天线阵元激发电场的示意图；

图4为本发明实施例的平面光学元件激发的垂直偏振的透射场的瞬态振幅谱。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例设计出了具有特定结构的天线微阵列的平面衍射光学元件，实现了理想的光束整形效果。

图1是本发明实施例的平面光学元件的部分结构示意图。该平面光学元件可用于实现全波段的球透镜、球面镜、柱透镜、柱面镜以及其他类型的光学元件的光束整形效果。如图所示，该平面光学元件包括：基底11和金属膜12。基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，厚度范围为300μm～1000μm。金属膜12可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，厚度范围为100nm～1000nm，设置在基底11上，与基底11之间形成分界面。金属膜12上设置有二维天线微阵列13，可以是方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列，阵列的大小具体根据入射光斑的大小来设定。该二维天线微阵列13包含N个天线阵元，且N≥16。相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长。天线阵元可以是狭缝，此时相邻阵元之间是良导体；天线阵元也可以由良导体制成，此时相邻阵元之间是空气。当阵元的结构及阵列的排布都相同时，分别包含这两种形式的天线阵元的两种对应天线阵列，称其中一种为另一种的反结构天线阵列。每一个天线阵元的结构可以是“V”字型、具有开口的矩形以及其他结构。本发明实施例的天线阵元为“V”字型狭缝结构，包括两个等长的臂131和132，臂的长度为h，大小范围是70μm～180μm，臂的宽度为l，大小范围是4μm～6μm；臂131的其中一端和臂132的其中一端相连接，并且使得两个臂之间形成一定的夹角Δ，Δ的大小范围是30°～180°。

优选地，本发明实施例中，基底11的材料采用硅半导体，厚度为500μm；金属膜12采用金材质，厚度为200nm；金属膜12具有的二维天线阵列13的阵列大小为40*40；所有“V”字型天线阵元的臂宽l都为5μm，臂长h和与之对应的夹角Δ包含4种不同的取值；相邻天线阵元之间的间隔为200μm。

本发明实施例的平面光学元件基于由反常反射和反常折射现象产生的相位不连续理论，当具有特定波长和特定偏振态的光束入射到该平面光学元件上时，可激发具有垂直偏振态、特定振幅和特定相位的辐射场。具体理论分析如下所述：

图2是本发明实施例的“V”字型天线阵元激发电场的示意图。如图中所示，本发明实施例定义了两种单元矢量来描述该“V”字型天线的方向，分别为矢量

和矢量

其中，矢量

的方向沿天线的对称轴方向，矢量

的方向垂直于矢量

的方向，即沿垂直于该天线对称轴的方向。假设一束光沿一定角度透过基底11入射到分界面上，发生折射或反射之后辐射出来。该入射光可以是任意波长的光，如可见光、红外光、太赫兹光等。本发明实施例中，入射光采用波长为400μm的太赫兹波。又如图中所示，E_inc为入射光的偏振方向，E_inc所示方向与单元矢量

和之间具有一定的夹角，因此可以将其沿单元矢量

和

分解为两个偏振方向的电场分量E_s和E_a，这样由该“V”形天线激发的辐射场可提供两种模式的电场，分别称为对称模式和反对称模式。其中，对称模式由入射电场中沿

方向的电场分量E_s所激发，反对称模式由入射电场中沿

方向的电场分量E_a所激发。再如图中箭头方向所示，在所激发的对称模式的电场中，电流沿着“V”字型天线的两个臂，由两个臂的连接端分别向两个臂的另一端流动，每一个臂上的电流分布近似于一个单个的长度为h的直天线产生的电流，因此一阶天线谐振发生的位置在h≈λ_eff/2处，其中，λ_eff是入射光的有效波长。在反对称模式的电场中，电流沿着“V”字型天线的其中一个臂向另一个臂流动，方向与E_a的方向一致，电流分布近似于一个长度为2h的直天线产生的电流，并且一阶天线振荡发生的位置在2h≈λ_eff/2处。

图3是本发明另一实施例的具有开口的矩形结构的天线阵元激发电场的示意图。本发明实施例中定义了与上述实施例中相同的两个单位矢量

和

并且矢量

的方向沿天线的对称轴方向，矢量

的方向垂直于矢量

的方向。当如图中所示的偏振光沿一定角度入射到该天线阵元上时，激发的辐射场同样具有对称模式与反对称模式两种电场。对称模式的电场中，其电流沿着如图中箭头所示方向由该矩形天线的底部从两侧流向开口处，假设该矩形天线的周长为2h，则天线每一侧的电流分布近似于一个单个的长度为h的直天线产生的电流，一阶天线谐振发生的位置在h≈λ_eff/2处。反对称模式的电场中，电流由天线开口的一端沿矩形天线的边绕天线一周，流向天线开口的另一端，电流公布近似于一个长度为2h的直天线产生的电流，一阶天线振荡发生的位置在2h≈λ_eff/2处。

如上所述，当入射光的偏振是沿着单元矢量

或

的方向时，由每个天线阵元激发的辐射场的偏振方向与入射光的偏振方向相同，即当入射光的偏振沿单元矢量

的方向时，可激发出对称模式的电场，当入射光的偏振方向沿单元矢量

的方向时，可激发出反对称模式的电场；当入射光的偏振为除上述两种偏振情况以外的其他任意方向时，这两种模式的电场都可以受到激发，此时，由于激发这两种模式所需的谐振条件不同，其振幅和相位是不同的。

优选地，本发明的上述实施例中，入射光的偏振方向与天线阵元的单元矢量

和

之间的夹角均为45°，这样入射光沿单元矢量

和

方向的电场分量是相等的，分别激发的对称模式和反对称模式的辐射场就是相等的。

又如图1所示的本发明实施例的平面光学元件的二维天线微阵列中，包含了4种不同夹角和臂长的“V”字型天线阵元。这4种“V”字型天线和它的4种镜面结构的“V”字型天线可激发出8种对应的辐射场，其振幅相等，相位各差π/4。此处的镜面结构是指以垂直于入射光偏振方向的面为镜面的对称结构。这8种结构的“V”字型天线选自几个谐振峰边缘对应的结构，可激发等振幅且为较大振幅的辐射场，从而得到高强度的辐射场。

本发明上述实施例中的二维天线微阵列可选择不同的阵列形状，比如方形阵列圆形阵列等等。再如图1所示的平面光学元件，其具有的二维天线微阵列为方形阵列，包含40*40个“V”字型天线，每一个均是选自于上述的8种不同结构的V”字型天线中的一种。这40*40个“V”字型天线按照图中所示的特定组合进行排布，相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长，如本实施例中为200μm，一方面有利于每一个天线阵元可以有效激发辐射场，并且可以避免产生光栅衍射。另一方面，可以避免相邻天线阵元产生较强的近辐射场之间发生耦合而干扰预期辐射场的振幅和相位。

如前所述，当图1中所示实施例中的天线阵元是狭缝，相邻阵元之间是良导体时，产生的是透射场；当天线阵元由良导体制成，相邻阵元之间是空气时，产生的是反射场。本发明实施例的天线阵元是“V”字型狭缝，可实现柱透镜的光束整形效果。

图4是本发明实施例的平面光学元件激发的垂直偏振的透射场的瞬态振幅谱。该瞬态振幅谱对应图1所示的具有“V”字型天线的平面光学元件激发的辐射场。如图所示，Z方向表示光传播方向，X方向表示二维天线阵列的列排布方向。区域A内的透射场显示了该平面光学元件基底中的垂直偏振的电场的振幅分布，区域B内的透射场显示了透过该平面光学元件的反常折射场。区域A的透射场是由于光在基底和金属表面发生多次反射形成，并且由于金属面积较大，透过该平面光学元件的光很少，所以区域A内的辐射场的振幅较区域B大很多。分析区域B内的透射场的振幅分布，振幅最大值出现在点F处，且分别沿Z方向和X方向向点F的四周逐渐变小，说明光在传播过程中，逐渐会聚，且F就是焦点，点F到基底的距离是焦距，为1.8mm。因为该平面光学元件的二维阵列沿行排布方向的阵元结构是相同的，所以透射场的振幅沿这个方向是不变的。说明该平面光学元件对光束具有柱透镜的会聚整形作用，其对应焦距为1.8mm，直径和高度等于二维天线阵列的宽度和高度，均为8mm，焦深为0.13mm。

另外，本发明的又一实施例的平面光学元件与上述实施例的不同在于，金属膜具有的天线阵列为上述实施例的“V”字型天线阵列的反结构天线阵列，即天线阵元是良导体，相邻阵元之间是空气。该平面光学元件可产生垂直偏振的反射场，实现柱面镜的光束整形效果，其对应焦距、直径、高度和焦深均与上述实施例的柱透镜的对应参数相同。

本发明上述实施例的平面光学元件，其具有的“V”字型天线微阵列或具有开口的矩形结构的天线微阵列激发的辐射场与“一”字型天线阵列相比，不仅具有更大的相移范围，为360°，而且具有比其更大的振幅；另外，该平面衍射光学元件可以产生垂直于入射光偏振方向的光，并对其进行波面整形，填补了现有光学元件所不能实现的光束整形效果的空缺。

如上所述，利用特定结构的天线激发的模的特性，可以设计单个天线的结构和二维天线微阵列，使其产生具有特定的振幅、相位以及偏振态的辐射场，即可以通过调制天线阵元的结构参数对所激发辐射场的振幅和相位进行调制，从而使所设计的平面光学元件实现对各个波段的球透镜、球面镜、柱透镜或柱面镜以及其他类型的光学元件的光束整形效果。本发明实施例的方法通过调制“V”字形天线两个臂的长度h和夹角Δ，进而调制由特定波长和偏振态的光束入射到该平面光学元件上所激发的具有垂直偏振态的辐射场的振幅和相位。该设计方法具体包括以下步骤：

401、设计一组具有确定离散相位的天线结构。包括：

首先，给定一个入射光的波长和偏振方向，并确定所要设计的天线阵元的常数结构参数，比如天线的宽度，接着改变其他可变结构参数中的一个或多个，通过合适的算法去设计其余可变参数的数值，进而得到多组结构参数，对应多个不同结构的天线。天线阵元的结构可以是“V”字型、具有开口的矩形以及其他结构。

本发明实施例中，入射光为太赫兹光，波长为400μm，偏振方向与所定义的“V”字型天线阵元的单元矢量

和

的夹角均为45°；设定天线结构为“V”字型结构，确定其两个臂的臂宽值为5μm，选择一组合适的两臂之间夹角的数值，作为预期“V”字型结构的夹角；最后设计出多个臂长的数值，得到多个“V”字型结构的天线。

其次，根据预设辐射场的特性挑选出适合的结构，具体为，计算所得多个天线的辐射场，找出谐振峰附近的振幅相等、具有确定离散相位的一组天线结构，作为预期二维天线微阵列的阵元。

本发明实施例中，挑选的原则是激发的辐射场的振幅相等，相位各差π/4，结果得到4种不同的“V”字型天线结构，分别具有不同的夹角和臂长。由这4种“V”字型天线和它的4种镜面结构的天线构成一组具有离散相位的“V”字型天线，以此作为下一步骤中二维天线微阵列的阵元。此处的镜面结构是指以垂直于入射光偏振方向的面为镜面的对称结构。

402、以步骤401设计的一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列。包括：预置所要设计的平面衍射光学元件的相关参数，以此为目标，由步骤401中所得结果中的多个天线排列出预设形状和大小的二维天线微阵列。预设二维天线微阵列可以是方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列。

本发明实施例中，预设所述平面衍射光学元件为柱透镜，预置该柱透镜的焦距为2mm、预置二维天线微阵列为方形阵列，行列数各为40，行列间距为200μm，以此为目标，由步骤401中得到的8个“V”字型天线排列出一个二维天线微阵列。

403、由基底和具有步骤402设计的二维天线微阵列结构的金属膜组成平面光学元件。包括：选定基底的材料、厚度，选定金属膜的材料、厚度，和步骤402得到的二维天线阵列共同构成平面光学元件。该平面衍射光学元件可用于实现全波段的球透镜、球面镜、柱透镜或柱面镜的光束整形效果，其中天线阵元可以是狭缝、相邻所述天线阵元之间是良导体，或者天线阵元由良导体制成，相邻天线阵元之间是空气。基底的材料采用对所用光波段透明的材料；金属膜的材料采用金、银、铜和铝等贵金属。

如图1中所示，本发明实施例中，设定基底的材料为硅半导体，厚度为500μm；金属膜采用金材料，厚度为200nm。由该基底和具有步骤402中得到的二维天线微阵列结构的金属膜构成了具有凸透镜作用的平面光学元件，其焦距为1.8mm，与预设的焦距相差0.2mm，在允许误差范围内。本发明实施例的方法，还可以通过进一步优化算法，得到更接近预期的结果。

本发明实施例的方法通过调制天线阵元的结构参数进而调制由特定波长和偏振态的光束入射到该平面衍射光学元件上时所激发的具有垂直偏振态的辐射场的振幅和相位，从而达到对光束进行预期的整形的目的，是一种很可靠的设计方法。本发明实施例设计的平面衍射光学元件，与预期参数相差甚微，可以实现理想的光束整形结果，填补了现有光学元件所不能实现的光束整形效果的空缺。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面光学元件，用于全波段的光束整形，其特征在于，所述平面光学元件包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线微阵列结构，所述二维天线微阵列包含多个天线阵元。

2.根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述平面光学元件用于实现球透镜、球面镜、柱透镜或柱面镜的光束整形。

3.根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述基底的材料采用对所用光波段透明的材料。

4.根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述金属膜的材质为良导体。

5.根据权利要求1和4所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为狭缝，相邻的所述狭缝之间为所述良导体；或者所述天线阵元由所述良导体制成，相邻的所述天线阵元之间为空气。

6.根据权利要求1所述的平面光学元件，其特征在于，所述天线阵元为“V”字型结构或具有开口的矩形结构。

7.一种平面光学元件的设计方法，用于设计对全波段光束整形的平面光学元件，其特征在于，所述方法包括：

设计一组具有确定离散相位的结构；

以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列；

由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属膜组成所述平面光学元件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设计一组具有确定离散相位的结构的步骤具体为，根据入射光的波长、偏振方向和所述天线的固定结构参数设计所述天线的可变结构参数，并根据预设辐射场的特性挑选出适合的结构。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述一组具有确定离散相位的结构激发的辐射场具有与入射光的偏振方向垂直的偏振态，具有等振幅和等相位间隔。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元，设计二维天线微阵列的步骤具体为，预设所述平面光学元件的类型和相关参数，预置所述二维天线微阵列的形状和大小，设计所述二维天线微阵列的排布。

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