CN109343163B - 一种简周期光栅结构的制作方法及太赫兹滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种简周期光栅结构的制作方法，其通过利用严格耦合波理论、遗传优化算法和预设评价函数，优化初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深三个初始参数，从而得到最优光栅脊宽、最优光栅槽宽、最优光栅槽深三个参数，并据此制作简周期光栅结构。本发明通过采用严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数进行优化处理得到光栅脊宽、槽宽和槽深，并根据其制作出一种结构简单却能保证透过的滤波具有超宽带、高透射效率特点的简周期光栅结构。本发明还公开了一种太赫兹滤波器，通过采用上述简周期光栅结构制成，使得穿过其的滤波具有超宽带、高透射效率的特点，并且结构上较为简单、便于加工和批量生产，降低了成本，实用性强。

Description

一种简周期光栅结构的制作方法及太赫兹滤波器
技术领域
本发明涉及衍射光学器件领域，尤其涉及一种简周期光栅结构的制作方法及太赫兹滤波器。
背景技术
目前，很多国家都积极地开展太赫兹方面的研究，在国内也掀起了太赫兹研究的热潮。太赫兹波介于微波和光波之间，是电子学向光学的过渡区域，有着重要的学术和应用研究价值。早在上世纪70年代，太赫兹波就引起了科学家的关注，但是由于这一波段的产生方法和探测手段相比于微波和光波还十分落后，对太赫兹波段各方面特性的研究和了解还非常有限，而且基本上还停留在理论层次上，形成了所谓的″太赫兹空隙″(TerahertzGap)。近些年来，太赫兹波的实际产生技术取得了很大的进展。随着量子级联激光器、自由电子激光器、光学差频方法以及通过光整流等产生较大功率的连续太赫兹波方法的出现，以及超外差式和直接探测器等太赫兹探测技术的发展，使得太赫兹技术的应用成为可能。
太赫兹系统主要由辐射源、探测器和各种功能器件组成，但是由于系统噪声和应用需要等原因，需要滤除某些频率范围以提高系统的性能，因而太赫兹滤波器有很重要的应用价值。例如，太赫兹通讯系统中，为了避免同频干扰，通常采用频分复用技术——用户之间采用不同的频率，这样就必须使用窄带太赫兹带通滤波器将各频率分量分离。又如，在太赫兹生物探测系统中，采用太赫兹特征谱的方法鉴别生物大分子或者细胞结构，这样就必须使用太赫兹窄带滤波器将其太赫兹特征谱所在的频段滤出加以分析鉴别。可见，太赫兹滤波器则是太赫兹系统必不可少的核心基础部件之一。
目前，现有的太赫兹滤波器普遍存在结构复杂、透射效率低、损耗大、加工复杂、不易实用等问题，例如：2015年华中科技大学的Xuetong Zhou等人采用双锥形多层超材料波导结构设计出了一种超宽带的太赫兹滤波器(参见：Xuetong Zhou etal.″Ultrabroadterahertz bandpass filter by hyperbolic metamaterial waveguide″OPTICSEXPRESS/Vol.23，No.09/4May 2015)，其3dB带宽为2.2THz，中心频率约为4.07THz，带内最高衍射效率仅为37％，而且其光栅结构是采用的多层超表面膜结构，制作难度较大，成本较高，不利于实际生产应用。
发明内容
本发明提供了一种简周期光栅结构的制作方法及太赫兹滤波器，以解决现有的太赫兹滤波器透射效率低、损耗大、加工复杂、不易实用的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种简周期光栅结构的制作方法，其用于制作太赫兹滤波器，其包括：
获取入射波的中心滤波频率、入射波波长范围和光栅基底的折射率；
根据中心滤波频率设定初始光栅周期，并获取预设的初始光栅占空比和初始光栅槽深，光栅占空比＝光栅脊宽/光栅周期；
利用严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数，对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深进行优化处理，得到最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深，并根据最优光栅周期、最优光栅占空比计算获得光栅结构的最优光栅脊宽、最优光栅槽宽，光栅槽宽＝光栅周期-光栅脊宽；
根据最优光栅脊宽、最优光栅槽宽和最优光栅槽深，制作简周期光栅结构。
作为本发明的进一步改进，预设评价函数为：
Figure BDA0001894934600000031
Mi＝|Ti-Tra|，(i＝1，2，3)；
Figure BDA0001894934600000032
其中，入射波划分为三段分别为主瓣、左旁瓣和右旁瓣，i表示第i段滤波频段，Mi表示第i段的平均透射效率误差，Ni表示第i段的平坦度误差，M4表示入射波中心处频率的透射效率误差，Pi、Zi和P4为预设权重因子，且所有权重因子之和为1；
Ti为理想透射效率，主瓣的Ti为1；左旁瓣和右旁瓣的Ti为0，Tra为一段频段离散分割为n个离散点，每一个离散点的透射效率之和除以n的值；
Trmax为一个滤波频段内的最高透射效率，Trmin为一个滤波频段内的最低透射效率。
作为本发明的进一步改进，光栅周期的大小约等于入射波的中心滤波波长的大小。
作为本发明的进一步改进，光栅基底包括高阻硅光栅基底或聚乙烯光栅基底。
作为本发明的进一步改进，制作简周期光栅结构的步骤，包括：
采用微光学或二元光学深刻蚀工艺直接在光栅基底的材料上制作简周期光栅结构，或者采用采用高精度微机械加工技术制作简周期光栅结构。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种太赫兹滤波器，其特征在于，其包括简周期光栅结构，简周期光栅结构根据上述之一的简周期光栅结构的制作方法制作而成。
相比于现有技术，本发明通过采用严格耦合波理论、遗传优化算法和预设评价函数对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深进行优化处理，从而得到最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深，进而计算得到一组最优的光栅脊宽、槽宽和槽深参数，并根据该最优的光栅脊宽、槽宽和槽深参数制作出一种结构简单却能保证透过的滤波具有超宽带、高透射效率特点的简周期光栅结构，并且使得采用上述简周期光栅结构制成，从而，使得该太赫兹滤波器结构简单、便于加工和批量生产，降低了成本，实用性强。
附图说明
图1为本发明简周期光栅结构的制作方法一个实施例流程示意图；
图2为本发明简周期光栅结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。
图1展示了本发明简周期光栅结构的制作方法的一种实施例。在本实施例中，该简周期光栅结构的制作方法用于制作简周期光栅结构，该简周期光栅结构用于制作太赫兹滤波器。如图1所示，该简周期光栅结构的制作方法包括：
步骤S10，获取入射波的中心滤波频率、入射波波长范围和光栅基底的折射率。
具体地，中心滤波频率是指入射波中心处的滤波频率。
优选地，该光栅基底的厚度为入射波的波长的1～5倍，避免耗费过多材料制作光栅基底，降低成本。
在一些实施例中，光栅周期的大小约等于入射波的中心滤波波长的大小，光栅周期的大小优选小于且接近入射波的中心滤波波长的大小，从而提高亚波长衍射器件的衍射效率。
需要说明的是，本实施例中，光栅基底包括高阻硅光栅基底或聚乙烯光栅基底，采用高阻硅材料或聚乙烯材料制作光栅基底更符合当前的工艺水平，便于生产，而且降低了生产成本。应当理解的是，其他可替代上述高阻硅光栅基底或聚乙烯光栅基底的高透材料基底也属于本发明的保护范围之内。
步骤S11，根据中心滤波频率设定初始光栅周期，并获取预设的初始光栅占空比和初始光栅槽深。
需要说明的是，光栅占空比＝光栅脊宽/光栅周期。
具体地，亚波长光栅器件的主要参数包括光栅周期、光栅占空比和光栅槽深，而由于亚波长光栅器件的入射波的中心波长在太赫兹波段，因此可以根据中心滤波频率设定初始光栅周期，而初始光栅占空比和初始光栅槽深均预设设定。
步骤S12，利用严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数，对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深进行优化处理，得到最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深，并根据最优光栅周期、最优光栅占空比计算获得光栅结构的最优光栅脊宽、最优光栅槽宽。
需要说明的是，太赫兹滤波器是一种亚波长结构器件，标量衍射分析理论已不适用，本发明采用可精确计算衍射器件光场衍射分布的电磁矢量理论——严格耦合波理论计算入射波通过滤波器的光场分布。其中，严格耦合波理论是没有近似的严格方法，将介质光栅当作周期调制的平面波导处理，通过Maxwell方程组和边界条件进行求解波导模式的本征方程。求解过程分为三步：首先，对任意面型的光栅进行等厚或者等宽分层，然后在每一分层内对电磁场做傅里叶级数展开，由麦克斯韦方程组导出入射介质层和基底层电磁场的表达式；然后，利用傅里叶级数展开光栅层的介电常数，推导出耦合波微分方程组，将其转化为本征模式场的求解问题；最后，在不同区域边界上运用电磁场边界条件，采用一定的数学手段求解每一分层本征模式场的振幅系数和传播常数，进而确定光栅衍射效率或者近场分布情况。因此，利用严格耦合波理论可精确的计算光栅器件的光场衍射分布。
具体地，根据亚波长结构的特性可知，入射波经过光栅结构产生的各级衍射波中的衍射级次强度可以通过调整光栅结构的光栅周期、光栅占空比和光栅槽深来改变，即可通过调整光栅脊宽、光栅槽宽和光栅槽深来改变，从而抑制除零级衍射外的其他衍射级次的强度，让其在光栅结构表面形成倏逝波，来达到提高零级衍射级次的强度(即透射效率)的目的，因此，本实施例中利用严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深三个参数进行优化处理，从而得出最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深三个参数，再根据光栅占空比＝光栅脊宽/光栅周期、光栅槽宽＝光栅周期-光栅脊宽计算出最优光栅脊宽和最优光栅槽宽两个参数。
进一步的，该预设评价函数为：
Figure BDA0001894934600000071
Mi＝|Ti-Tra|，(i＝1，2，3)；
Figure BDA0001894934600000072
本预设评价函数通过将入射波划分为三段，分别为主瓣、左旁瓣和右旁瓣，选取主瓣、左旁瓣和右旁瓣的平均透射效率误差M和平坦度误差N作为评价因子，从而对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深三个参数进行优化处理，具体如上述公式所示。其中，i表示第i段滤波频段，Mi表示第i段的平均透射效率误差，Ni表示第i段的平坦度误差，M4表示入射波中心处频率的透射效率误差，Pi、Zi和P4为预设权重因子，且所有权重因子之和为1；Ti为理想透射效率，主瓣的Ti设置为1；左旁瓣和右旁瓣的Ti设置为0，Tra为一段频段离散分割为n个离散点，每一个离散点的透射效率之和除以n的值；Trmax为一个滤波频段内的最高透射效率，Trmin为一个滤波频段内的最低透射效率。
具体地，主瓣、左旁瓣和右旁瓣的平均透射效率误差M和平坦度误差N可通过调整光栅周期、光栅占空比和光栅槽深来改变，从而，根据初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深获取的平均透射效率误差M和平坦度误差N即可计算出第一个G(X)值，对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深进行优化处理后，根据优化处理后的参数计算出第二个G(X)值，依次循环，直至评价函数G(X)值最小时，记录该组光栅周期、光栅占空比和光栅槽深的参数值，并作为最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深。
例如，如下表1所示，为多组光栅脊宽、光栅槽宽和光栅槽深测量得出的带宽数据和透射效率数据：
表1
Figure BDA0001894934600000091
由上述数据可知，本发明通过严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数优化出的光栅脊宽、光栅槽宽和光栅槽深参数，其透射效率均能达到50％以上，而针对太赫兹滤波器，还需要考虑到带宽因素，因此，针对于波长范围在1.66-8.40THz的入射波，优选光栅脊宽56.08um、光栅槽宽73.73um和光栅槽深30.38um，从而保证入射波经滤波操作之后，其3db带宽能够达到2.33THz，3db内带宽最高透射效率达到50％以上，从而得到一段平坦的超宽带滤波波形。
步骤S13，根据最优光栅脊宽、最优光栅槽宽和最优光栅槽深，制作简周期光栅结构。
具体地，在获取到最优光栅脊宽、最优光栅槽宽和最优光栅槽深三个参数之后，根据该三个参数即可制作出如图2所示的简周期光栅结构，其中A为光栅脊宽，B为光栅槽宽，H为光栅槽深，D为光栅基底厚度，L为光栅基底长度。
在一些实施例中，可采用微光学或二元光学深刻蚀工艺直接在光栅基底的材料上制作简周期光栅结构，或者采用采用高精度微机械加工技术制作简周期光栅结构。
本实施例中，通过采用严格耦合波理论、遗传优化函数和预设评价函数对初始光栅周期、初始光栅占空比和初始光栅槽深进行优化处理，从而得到最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深，进而计算得到一组最优的光栅脊宽、槽宽和槽深参数，并根据该最优的光栅脊宽、槽宽和槽深参数制作出一种结构简单却能保证透过的滤波具有超宽带、高透射效率特点的简周期光栅结构，当入射波垂直入射该简周期光栅结构，入射光场受到光栅结构的调制导致出射光场的衍射能量分布发生改变，从而可以控制零级衍射的透射效率，得到一段主瓣平坦、旁瓣受到抑制的滤波波形。此外，该简周期光栅结构仅需获取上述最优的光栅脊宽、槽宽和槽深参数，即可通过现有的工艺手段加工制成，其所需的设计参数少，设计效率高，可采用微光学、二元光学等加工方法，亦可采用高精度微机械加工技术及相关技术进行制作；并且由于该简周期光栅结构是矩形单周期结构，因此易于生产、便于复制，且制作成本低、实用性强。
本发明另外提供了一种太赫兹滤波器，其包括简周期光栅结构，该简周期光栅结构根据上述实施例之一的简周期光栅结构的制作方法制作而成，从而使得该太赫兹滤波器具有衍射效率高、宽带等特点，并且因为上述简周期光栅结构是矩形单周期结构，具有易于生产、便于复制、制作成本低、实用性强的特点，从而使得该太赫兹滤波器同样具有结构简单、便于加工和批量生产的特点，进而降低了成本，实用性强。。
以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种简周期光栅结构的制作方法，其用于制作太赫兹滤波器，其特征在于，其包括：
获取入射波的中心滤波频率、入射波波长范围和光栅基底的折射率；
根据所述中心滤波频率设定初始光栅周期，并获取预设的初始光栅占空比和初始光栅槽深，所述光栅占空比＝光栅脊宽/光栅周期；
利用严格耦合波理论和遗传优化算法，结合预设评价函数，对所述初始光栅周期、所述初始光栅占空比和所述初始光栅槽深进行优化处理，得到最优光栅周期、最优光栅占空比和最优光栅槽深，并根据所述最优光栅周期、所述最优光栅占空比计算获得光栅结构的最优光栅脊宽、最优光栅槽宽，光栅槽宽＝光栅周期-光栅脊宽；
根据所述最优光栅脊宽、所述最优光栅槽宽和所述最优光栅槽深，制作所述简周期光栅结构；
所述预设评价函数为：
Figure FDA0002760571520000011
Mi＝|Ti-Tra|，(i＝1，2，3)；
Figure FDA0002760571520000012
其中，所述入射波划分为三段分别为主瓣、左旁瓣和右旁瓣，i表示第i段滤波频段，Mi表示第i段的平均透射效率误差，Ni表示第i段的平坦度误差，M4表示入射波中心处频率的透射效率误差，Pi、Zi和P4为预设权重因子，且所有权重因子之和为1；
Ti为理想透射效率，所述主瓣的Ti为1；所述左旁瓣和所述右旁瓣的Ti为0，Tra为一段频段离散分割为n个离散点，每一个离散点的透射效率之和除以n的值；Trmax为一个滤波频段内的最高透射效率，Trmin为一个滤波频段内的最低透射效率。
2.根据权利要求1所述的简周期光栅结构的制作方法，其特征在于，所述光栅周期的大小约等于所述入射波的中心滤波波长的大小。
3.根据权利要求1所述的简周期光栅结构的制作方法，其特征在于，所述光栅基底包括高阻硅光栅基底或聚乙烯光栅基底。
4.根据权利要求1所述的简周期光栅结构的制作方法，其特征在于，所述制作所述简周期光栅结构的步骤，包括：采用微光学或二元光学深刻蚀工艺直接在所述光栅基底的材料上制作所述简周期光栅结构，或者采用采用高精度微机械加工技术制作所述简周期光栅结构。
5.一种太赫兹滤波器，其特征在于，其包括简周期光栅结构，所述简周期光栅结构根据上述权利要求1-4之一所述的简周期光栅结构的制作方法制作而成。
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