CN108375813A - 一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器 - Google Patents
一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器，属于光学器件技术领域。该分光器为金属‑电介质‑金属三层结构，其金属矩形块阵列为由若干个n×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；所述n×1周期微纳阵列结构，包括n个呈n×1排布的金属矩形块，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在x方向上构成多个2π相位梯度单元。本发明的有益效果在于：本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器通过设置合适的相位梯度，可使微纳结构阵列具备不同的功能，如1:1反射分光、光强1：N反射分光、偏折反射光出射角；器件厚度尺寸在光波长数量级，可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器
背景技术
微纳结构光学技术是研究光与纳米结构之间相互作用的学科。当纳米结构尺寸小于光波长的情况下，物质表现出许多自然材料不具有的新颖光学特性。传统几何光学用相同电介质系数(或者折射率系数)材料的几何尺寸不同，造成光路方向的相位差，以此实现分光、聚光等功能；而微纳结构光学提供了不同的思路，宏观上的几何尺寸相同，而沿着垂直于光路方向由微纳结构引入电介质系数梯度(或者折射率系数梯度)，由此造成光路方向的相位差。本发明将微纳结构与光的幅度、相位、偏振操控问题相结合，提出了一种基于微纳结构反射进行分光的方法。
对于反射式分光器，传统的分光原理主要有2种：其一是利用光的折射、反射原理进行分光，如棱镜分光，可利用透射光、反射光的分离来分光，也有光学薄膜通过控制膜厚度利用膜的上界面反射光和下界面反射光的相互干涉，实现光增透、增反等功能；另一种分光原理为光栅分光，利用光的衍射现象实现分光。在传统分光原理中，光学器件材料的光折射率保持常值，单层光学薄膜效率较低需添加多层薄膜以满足分光需求；光栅分光可依次分离出无穷多级衍射光，但由于实际中只有部分衍射光工作，存在着较高的能量损耗。传统反射式分光器，无法精确控制反射光角度、同时因为采用尺寸厚度改变相位差的方法，使得光学器件的几何尺寸控制非常严格，且光学器件体积大，机械加工性不好。本发明与传统分光器相比，根据结构尺寸设置可实现多种功能：1:1分光、光强1：N分光、反射光出射角度偏折，器件厚度尺寸在光波长数量级，可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。
发明内容
本发明提出一种利用微纳结构阵列进行反射分光的全新分光方式
本发明的技术方案是：一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，定义金属矩形块的长宽方向分别为x、y向；所述金属矩形块阵列，为由若干个n×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；所述n×1周期微纳阵列结构，包括n个呈n×1排布的金属矩形块，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在x方向上构成多个2π相位梯度单元。
本发明的有益效果在于：
利用微纳结构阵列的反射现象进行分光是一种全新的分光方式，本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器通过设置合适的相位梯度，首次实现了两束反射光光强的1：N分光，在光纤通信、激光分光等应用环境下具有巨大的发展潜力；传统的棱镜分光需制作斜面来分离透反射光线，而本发明通过在平面上设置微纳阵列相位梯度来实现对反射光的调控，是一种平面式分光器，具有更广阔的应用范围；本发明的金属阵列采用矩形结构，比之利用H型、V型、圆形、椭圆形等结构阵列进行聚光、偏光功能的研究，可形成更大的相位梯度以造成更大的相位改变，进而拓宽了反射光出射角的可控范围；本发明采用金属-电介质-金属三层结构，有效增强了金属表面等离子谐振，从而提高了谐振波长处的反射率，进而提升了分光器的工作效率；本发明较与传统分光器，结构简单，具有超薄厚度，可通过对每个阵列单元内金属矩形块的尺寸控制，实现对反射光精确的角度、光强控制；设置合适的相位梯度，可使微纳结构阵列具备不同的功能，如1:1反射分光、光强1：N反射分光、偏折反射光出射角；器件厚度尺寸在光波长数量级，可通过改变结构尺寸以实现不同波段光的分光需求。
附图说明
附图中本发明分光效果的远场图为了增强颜色区分度，采用黑-白-黑的颜色过渡方式，远场图中背景的大片黑色代表区域内没有光强能量，而在能量汇聚的最中心区域，为增强视觉上的区分度，颜色从白过渡到浅黑色，此时代表能量的大量聚集(而非没有光强能量存在)。
图1左图为传统的半反半透式分光棱镜分光原理示意图，右图为一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器的分光原理示意图，可见本发明利用微纳结构阵列反射进行分光与传统分光棱镜分光有着显著的区别，是一种全新的反光方式，相较于传统的棱镜分光，可见本发明的反射式分光器保持了超薄的厚度；
图2为本发明微纳结构阵列中金属矩形块结构的俯视图和侧视图；
图3为本发明微纳结构阵列中n×1周期微纳阵列结构的俯视图和侧视图；
图4(a)为本发明实施例1中分光器偏折出射角功能下的结构俯视图，其中单独列出了n×1周期微纳阵列结构的俯视图，图4(b)为本发明实施例2中分光器1:1反射分光功能下的结构俯视图，其中单独列出了n×1周期微纳阵列结构的俯视图，图4(c)为本发明实施例3中分光器1：N反射分光功能下的结构俯视图，其中单独列出了n×1周期微纳阵列结构的俯视图；
图5为FDTD仿真结果，对应本发明的实施例，展示了本发明微纳结构阵列中不同矩形块长度(图a)和电介质(Al2O3)厚度(图b)对反射光强度和相位的影响；
图6以图5的FDTD仿真结果为依据，对应本发明的实施例，展示了实施例中本发明微纳结构阵列中每个金属(Au)矩形块长度的选取；
图7为实施例1的FDTD仿真结果，其中图7(a)为反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波矢；图7(b)为反射相位梯度曲线，其中圆点为每个结构单元的反射相位；
图8为实施例1的FDTD仿真的结果，其中图8(a)为入射光远场图，图8(b)为反射光远场图；
图9为实施例1的FDTD仿真结果，是实施例1的入射光与反射光强度图，图中(a)曲线对应入射光，(b)曲线对应反射光；
图10为实施例2的FDTD仿真结果，其中图10(a)反射光电场图，其中虚线为波前，箭头为反射光波矢；图10(b)为反射相位梯度曲线，图中圆点为每个结构单元的反射相位；
图11为实施例2的FDTD仿真结果，其中图11(a)为入射光远场图，图11(b)为反射光远场图；
图12为实施例2的FDTD仿真结果，是实施例2的入射光与两束反射光的光强度图，图中(a)曲线对应入射光，(b)曲线对应反射光；
图13为实施例3的FDTD仿真结果，其中图13(a)为入射光远场图，图13(b)为反射光远场图；
图14为实施例3的FDTD仿真结果，是实施例3的入射光与两束反射光的光强度图，
图中(a)曲线对应入射光，(b)曲线对应反射光。
具体实施例：
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
根据Huygens理论，微纳结构阵列中的粒子单元在入射光作用下成为发射子波的波源。设计粒子单元的结构尺寸控制粒子单元中的电磁谐振，同时调制反射相位，可实现对传输波面的控制，进而影响反射光，设计2π相位梯度单元，精确控制微纳结构阵列中各个金属矩形块的长度尺寸，可实现反射光角度和光强的操控。基于上述原理，合理设置微纳结构阵列的相位梯度，则可使其具备不同的功能：在一个周期内设置数值相等的正反两个相位梯度，微纳结构阵列可实现入射光的1:1反射分光；在一个周期内设置数个相位梯度，则可实现光强的1：N反射分光；若只设置一个相位梯度，则只有一束反射光出射，此时微纳结构阵列具备偏折反射光线出射角的功能。
设计思想来源于广义Snell反射定律，当沿界面的相位变化率恒定，即dφ/dx为定值时有：
可得到反射角θr与入射角θi、入射光波长λ0、介质折射率ni以及相位梯度dφ/dx的关系。可见，对于给定的入射光波长和入射角，在非连续界面引进一个合适的相位梯度dφ/dx，反射光线可以有任意的方向，光强也随之改变。因此，本发明提出通过调整结构的相位梯度来dφ/dx实现对反射光操控的方法。
基于上述原理，通过以一下三个实施例来更好的解释本发明提出的技术方案。
实施例1：
本实施例展示了本发明的偏折反射光出射角度的功能。
如图2所示，基于微纳结构阵列的反射式平面分光器为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属(Au)矩形块阵列、电介质(Al2O3)中间层、金属(Au)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义金属(Au)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为5μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述金属矩形块阵列，如图4(a)所示，由6×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复若干次形成的大阵列；
所述6×1周期微纳阵列结构，如图4(a)下图所示，包括6个呈6×1排布的金属(Au)矩形块，作为优选，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在一个6×1周期微纳阵列结构内构成2π相位梯度单元；
作为优选，矩形块的周期尺寸A＝2μm，矩形块宽度W＝1μm，结构如图2所示，则此时相位梯度单元的梯度值为dφ/dx＝2π/12；
作为优选，上层和基底金属(Au)厚度t＝0.1μm，从图5(a)的FDTD仿真结果可见电介质(Al2O3)中间层的厚度对反射光幅值影响较大，为保持高反射率，作为优选，选择电介质(Al2O3)中间层的厚度为0.3μm；
图5(b)可见金属(Au)矩形块长度尺寸对反射光相位的影响，在0.2-1.8μm范围内选取相位间隔60°的6个尺寸点以构成2π相位梯度单元，以图6的尺寸为例，结构如图4(a)下图所示。
工作过程效果：
图7(a)为反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波失，可见微纳阵列改变了反射光波矢的方向，图7(b)可见微纳阵列实现了0-360°的相位梯度改变；
图8为FDTD仿真入射光和反射光的远场图，图8(a)可见入射光垂直入射，经过微纳结构阵列相位梯度表面反射，从图8(b)可见反射光的出射角实现了约为25°的偏折；
图9为入射光与反射光的远场强度图，图8、图9从角度和强度两方面展示了本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器的偏折反射光出射角度功能的效果。
实施例2：
本实施例展示了本发明的1:1反射分光功能。
如图2所示，基于微纳结构阵列的反射式平面分光器为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属(Au)矩形块阵列、电介质(Al2O3)中间层、金属(Au)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义金属(Au)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为5μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述金属矩形块阵列，如图4(b)所示，由11×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复若干次形成的大阵列；
所述11×1周期微纳阵列结构，包括11个呈11×1排布的金属矩形块，作为优选，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在一个11×1周期微纳阵列结构内构成数值相等的正负两个2π相位梯度单元；
作为优选，矩形块的周期尺寸A＝2μm，矩形块宽度W＝1μm；
作为优选，上层和基底金属(Au)厚度t＝0.1μm，从图5(a)的FDTD仿真结果可见电介质(Al2O3)中间层的厚度对反射光幅值影响较大，为保持高反射率，作为优选，选择电介质(Al2O3)中间层的厚度为0.3μm；
图5(b)可见金属(Au)矩形块长度尺寸对反射光的影响，在0.2-1.8μm范围内选取相位间隔60°的6个尺寸点以构成2π相位梯度单元，以图6的尺寸为例，结构如图4(b)下图所示，6个矩形块按照长度尺寸按照从小到大的顺序从左到右排列构成一个相位梯度单元，单个相位梯度单元的梯度值为dφ/dx＝2π/12，再将最后一个矩形块作为起始，按照长度尺寸从大到小的顺序继续排列构成第二个反向的2π相位梯度单元，组成11×1周期微纳阵列结构；
工作过程效果：
图10(a)为反射光电场图，虚线为波前，箭头为反射光波失，可见微纳阵列的电场具有两个梯度，即形成了两个反射光波矢，可见微纳阵列改变了两束反射光的传播方向，实现了分光，图10(b)可见微纳阵列在正反两个梯度上分别实现了0-360°的相位改变；
图11为FDTD仿真的入射光和反射光的远场图，图11(a)可见入射光垂直入射，经微纳结构阵列反射后，从图11(b)可见两束反射光的出射角实现了约为±19°的偏折。
图12为入射光与反射光的远场强度图，可见两束反射光光强相等，图11、图12从角度和强度两方面展示了本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器的1:1反射分光效果。
实施例3：
本实施例展示了本发明的1:N反射分光功能，以1:2反射分光为例。
如图2所示，基于微纳结构阵列的反射式平面分光器为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属(Au)矩形块阵列、电介质(Al2O3)中间层、金属(Au)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义金属(Au)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为5μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述金属矩形块阵列，如图4(c)所示，由17×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复若干次形成的大阵列；
所述17×1周期微纳阵列结构，包括17个呈17×1排布的金属矩形块，作为优选，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在一个17×1周期微纳阵列结构内构成三个有正有负的2π相位梯度单元；
作为优选，矩形块的周期尺寸A＝2μm，矩形块宽度W＝1μm；
作为优选，上层和基底金属(Au)厚度t＝0.1μm，从图5(a)的FDTD仿真结果可见电介质(Al2O3)中间层的厚度对反射光幅值影响较大，为保持高反射率，作为优选，选择电介质(Al2O3)中间层的厚度为0.3μm；
图5(b)可见金属(Au)矩形块长度尺寸对反射光的影响，在0.2-1.8μm范围内选取相位间隔60°的6个尺寸点以构成2π相位梯度单元，以图6的尺寸为例，结构如图4(c)下图所示，6个矩形块按照长度尺寸按照从小到大的顺序从左到右排列构成一个相位梯度单元，单个相位梯度单元的梯度值为dφ/dx＝2π/12，再将最后一个矩形块作为起始，按照长度尺寸从大到小的顺序继续排列构成第二个反向的2π相位梯度单元，然后再按照从从大到小的顺序排列构成第三个2π相位梯度单元，组成17×1周期微纳阵列结构；
工作过程效果：
图13为FDTD仿真入射光和反射光的远场图，图13(a)可见入射光垂直入射，经微纳结构阵列相位梯度表面反射后形成两束反射光，从图13(b)可见两束反射光的出射角实现了约为±22°的偏折，且从远场图可见两束反射光能量不等分。
图14为入射光与反射光的远场强度图，可见两束反射光光强不等，比例约为1:2，
图13、图14从角度和强度两方面展示了本发明一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器
的1:2反射分光效果。
Claims (2)
1.一种基于微纳结构阵列的反射式平面分光器，其特征在于，为金属-电介质-金属三层结构，分别由金属矩形块阵列、电介质中间层、金属基底层构成，定义金属矩形块的长宽方向分别为x、y向；所述金属矩形块阵列，为由若干个n×1周期微纳阵列结构分别在x和y向重复形成的大阵列；所述n×1周期微纳阵列结构，包括n个呈n×1排布的金属矩形块，矩形块的周期尺寸A固定，矩形块宽度W不变，长度L依次变化，在x方向上构成多个2π相位梯度单元。
2.一种如权利要求1所述的基于微纳结构阵列的反射式平面分光器,其特征在于，所述金属-电介质-金属三层结构具体为Au-Al2O3-Au三层结构。
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