CN108445562A - 一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器，属于光学器件技术领域。该分光器为硅‑二氧化硅双层结构，所述硅矩形块阵列，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排布的硅矩形块，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方向上构成数个2π相位梯度单元。本发明提出的一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器在一个周期内设置数个相位梯度，通过对每个阵列单元内硅矩形块的尺寸控制，可使微纳结构阵列具备不同的功能，如1:1透射分光、光强1：N透射分光、透射光出射角度偏折；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。

Description

一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器
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透射式平面分光器
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阵列透射进行分光的方法。
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。传统的透射分光器，无法精确控制透射光角度、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，具有光强1：N分光、透射光角度偏折功能，且出射角可控，器件厚度尺寸在光波长数量级，同时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
本发明提出了一种利用微纳结构阵列进行透射分光的全新分光方式
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，同时调制透射相位，可实现对传输波面的控制，进而影响透射光。Huygens表面电和磁的谐振重合，使其具有高的透射率，并且具有2π范围的透射光相位改变，通过精确控制微纳结构阵列中各个硅矩形块的长度尺寸，可实现对透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同的正负两个相位梯度，微纳结构阵列可实现入射光的1:1分光；在一个周期内设置数个的相位梯度，则可实现入射光强的1：N分光；若只设置一个相位梯度，则只有一束透射光出射，此时微纳结构阵列具备偏折透射光线出射角的功能。
设计思想来源于广义Snell折射定律，当沿界面的相位变化率恒定，即dφ/dx为定值时有：
光疏介质射入光密介质的情况下，即不考虑全反射时，可得到折射角θt与入射角θi、入射光波长λ0、两介质折射率ni、nt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，折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dφ/dx来实现对透射光操控的方法。
基于上述原理，本发明采用如下技术方案：
一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器为硅-二氧化硅双层结构，分别由硅矩形块阵列、二氧化硅基底层构成，定义硅矩形块的长宽方向分别为x、y向；
所述硅矩形块阵列，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排布的硅矩形块，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方向上构成数个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透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透射式平面分光器在一个周期内设置数个相位梯度，首次实现了两束透射光光强的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透射光的调控，是一种平面式分光器，具有更广阔的应用范围；本发明中的硅阵列采用矩形结构，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，进而拓宽了透射光出射角的可控范围；本发明采用硅-二氧化硅双层结构，保持了结构的高透射率，降低了反射损耗进而提高透射分光器的效率；本发明较与传统分光器，结构简单，取材广泛，具有超薄厚度，可通过对每个阵列单元内硅矩形块的尺寸控制，实现对透射光精确的角度、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透射分光、光强1：N透射分光、透射光出射角度偏折；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。
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，为增强视觉效果，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为传统透射式分光器和一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器的分光示意图，4图分别为：(a)传统锥透镜，(b)传统平凹透镜，(c)微纳结构锥透镜，(d)微纳结构凹透镜。可见传统透镜通过镜片不同的厚度造成光程差来折光，而微纳结构利用结构尺寸的变化同样可调整相位轮廓，在折光的同时又保持了超薄的厚度；
图2为本发明微纳结构阵列中硅矩形块的俯视图和侧视图；
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中分光器偏折透射光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透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透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硅矩形块宽度对透射光幅值(图a)和相位(图b)的影响；
图6以图5的FDTD仿真结果为依据，根据相位曲线选取不同的相位点及其对应尺寸，展示了实施例中本发明微纳结构阵列中每个硅矩形块长度的选取过程；
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)为透射相位梯度曲线，其中圆点为每个结构单元的透射相位；
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)为透射光远场图；
图9为实施例1的FDTD仿真结果，是实施例1的入射光与透射光远场强度图，期间变换入射角得到了3个结果；
图10为实施例2的FDTD仿真结果，其中图10(a)为入射光远场图，图10(b)为透射光远场图；
图11为实施例2的FDTD仿真结果，是实施例2的入射光与两束透射光的远场光强度图，其中曲线(a)为入射光，曲线(b)为透射光；
图12为实施例3的FDTD仿真结果，其中图12(a)为入射光远场图，图12(b)为透射光远场图；
图13为实施例3的FDTD仿真结果，是实施例3的入射光与两束透射光的远场光强度图，其中曲线(a)为入射光，曲线(b)为透射光。
具体实施例：
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1：
本实施例展示了本发明的透射光出射角度偏折功能。
如图2所示，基于微纳结构阵列的透射式平面分光器为硅-二氧化硅双层结构，分别由硅(Si)矩形块阵列、二氧化硅(SiO2)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义硅(Si)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为1.55μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述硅矩形块阵列，如图4(a)所示，由8×1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8×1周期微纳阵列结构，如图4(a)下图所示，包括8个呈8×1排布的硅矩形块，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8×1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＝1μm，则此时相位梯度单元的梯度值为dφ/dx＝2π/8；
从图5(b)的FDTD仿真结果可见硅矩形块宽度W对透射光相位的影响，其中W＝0.6μm时可实现透射相位360°的改变，故选取硅矩形块宽度W＝0.6μm；
图5(a)可见硅(Si)矩形块长度尺寸对透射光的影响，在0.2-0.8μm范围内选取相位间隔45°的8个尺寸点以构成2π相位梯度单元，选取的尺寸以图6的结果为例，结构如图4(a)下图所示；
工作过程效果：
图7(a)为透射光电场图，虚线为波前，箭头为透射光波失，可见微纳阵列改变了透射光波矢的方向，图7(b)中圆点为每个矩形块对应的相位，可见微纳阵列实现了0-360°的相位梯度改变；
图8为FDTD仿真的入射角和透射角的远场图，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后，从图8(b)可见透射光的出射角实现了约为11°的偏折。
图9为入射光与透射光的远场强度图，有三种不同的入射角：0°、5°、10°，可见光垂直入射时分光器效率最高，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透射式平面分光器偏折透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透射分光功能。
如图2所示，基于微纳结构阵列的透射式平面分光器为硅-二氧化硅双层结构，分别由硅(Si)矩形块阵列、二氧化硅(SiO2)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义硅(Si)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为1.55μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述硅矩形块阵列，如图4(b)所示，由15×1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15×1周期微纳阵列结构，如图4(b)下图，包括15个呈15×1排布的硅矩形块，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15×1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＝1μm；
从图5(b)的FDTD仿真结果可见硅矩形块宽度W对透射光相位的影响，其中W＝0.6μm时可实现透射相位360°的改变，故选取硅矩形块宽度W＝0.6μm；
图5(a)可见硅(Si)矩形块长度尺寸对透射光的影响，在0.2-0.8μm范围内选取相位间隔45°的8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，8个矩形块按照长度尺寸按照从大到小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/8，再将最后一个矩形块作为起始，按照长度尺寸从小到大的顺序继续排列构成第二个反向的2π相位梯度单元，组成15×1周期微纳阵列结构；
工作过程效果：
图10为FDTD仿真的入射光和透射光的远场图，图10(a)可见入射光垂直入射，经过微纳结构阵列相位梯度表面透射后，图10(b)中圆点为每个矩形块对应的相位，可见透射光的出射角实现了约为±11°的偏折；
图11为入射光与透射光的远场强度图，可见两束透射光光强等分，图10、图11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透射式平面分光器的1:1透射分光效果。
实施例3：
本实施例展示了本发明的1：N透射分光功能，以1:2透射分光为例。
如图2所示，基于微纳结构阵列的透射式平面分光器为硅-二氧化硅双层结构，分别由硅(Si)矩形块阵列、二氧化硅(SiO2)基底层构成，每个尺寸经FDTD软件仿真优选选定，定义硅(Si)矩形块的长宽方向分别为x、y向，FDTD中入射光波长为1.55μm，垂直入射，偏振方向沿x向；
所述硅矩形块阵列，如图4(c)所示，由23×1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23×1周期微纳阵列结构，包括23个呈23×1排布的硅矩形块，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，在实施例2中15×1周期微纳阵列结构的基础上再额外添加一个相位梯度，构成三个有正有负的相位梯度单元，结构如图4(c)下图所示；
作为优选，矩形块的周期尺寸A＝1μm；
从图5(b)的FDTD仿真结果可见硅矩形块宽度W对透射光相位的影响，其中W＝0.6μm时可实现透射相位360°的改变，故选取硅矩形块宽度W＝0.6μm；
图5(a)可见硅(Si)矩形块长度尺寸对透射光的影响，在0.2-0.8μm范围内选取相位间隔45°的8个尺寸点以构成2π相位梯度单元，以图6的尺寸为例，结构图4(c)下图所示，8个矩形块按照长度尺寸按照从大到小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/8，再将最后一个矩形块作为起始，按照长度尺寸从小到大的顺序继续排列构成第二个反向的2π相位梯度单元，然后再按照从大到小的顺序额外增加8个矩形块构成第三个相位梯度单元，组成23×1周期微纳阵列结构；
工作过程效果：
图12为FDTD仿真的入射光和透射光的远场图，图12(a)可见入射光垂直入射，经过微纳结构阵列相位梯度表面透射，从图12(b)可见透射光的出射角实现了约为±11°的偏折，且两束透射光能量不等分。
图13为入射光与透射光的远场强度图，可见两束透射光光强比约为1:2，图12、图13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透射式平面分光器的1:2透射分光效果。

Claims (1)

1.一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器，其特征在于，为硅-二氧化硅双层结构，分别由硅矩形块阵列、二氧化硅基底层构成，定义硅矩形块的长宽方向分别为x、y向；
所述硅矩形块阵列，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排布的硅矩形块，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方向上构成数个2π相位梯度单元。
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