CN109856718B - 低偏振度二维二元闪耀光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低偏振度二维二元闪耀光栅，它为高度相同的柱状亚波长微结构透射式光栅，光栅单元在两个正交方向呈周期性排布。每个光栅单元包含多个子单元，不同子单元宽度相等但介质占空比不同。本发明提供的二维二元闪耀光栅，其光栅槽形为等高度的二元结构，可通过电子束曝光或激光直写等单步曝光法制得，相比理想形貌的锯齿槽形制作更易；同时还具有高衍射效率和低偏振敏感度的衍射特性，且在参考波长处无偏振，适用于高信噪比和高辐射测量精度要求的光栅型成像光谱仪。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于光栅型成像光谱仪的透射式低偏振度二维二元闪耀光栅，属于衍射光学元件和光谱成像技术领域。
背景技术
上世纪80年代，随着对地观测应用的发展需要，成像光谱技术兴起。它是综合了空间成像技术和光谱成像技术的新兴领域，极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。
衍射光栅作为光栅型成像光谱仪的核心元件，它的性能直接影响光谱仪系统性能。高衍射效率的光栅可有效提高系统信噪比，从而提高探测灵敏度。低偏振敏感度的光栅能够降低光谱仪偏振敏感度，从而提高探测精度。锯齿形闪耀光栅在特定级次可获得高衍射效率，但它是偏振敏感元件，并且理想形貌的锯齿槽形是难制作的。
锯齿形闪耀光栅可由二元闪耀光栅等效，且适当形状的二元闪耀光栅具有低偏振度的衍射特性。二元闪耀光栅由一系列高度一致的一维条形或二维柱形亚波长特征微结构组成，可极好地等效为锯齿形闪耀光栅，这样的二元结构利用激光直写或电子束光刻等工艺是易制作的。
现有文献报道的二元闪耀光栅中，多为偏振敏感的一维二元闪耀光栅，且并不作为衍射元件使用。如文献“Artificial distributed-index media fabricated by zero-order gratings”（ Stork W, Streibl N, Haidner H, et al. [J]. Optics Letters,1991, 16(24):1921-3.）、“Artificial index surface relief diffraction opticalelements” （Babin S V, Sheridan J T. [C]// Proceedings of SPIE, 1993, 1751:202-213.）中用作防反射层的一维二元闪耀光栅。也有二维二元闪耀光栅的相关报道，但并不作为衍射元件使用。如文献“Binary blazed grating-based polarization-independent filter on silicon on insulator”（Wu D, Sui X, Yang J, Zhou Z. [J].Frontiers of Optoelectronics, 2012, 5(1):78-81.）中用作高反射率共振滤波器的二维二元闪耀光栅。
截止目前，并无成像光谱仪用的低偏振度二元闪耀光栅及其设计方法报道。为进一步提高光栅型成像光谱仪的性能，尤其是探测灵敏度和探测精度，亟需设计出高衍射效率、低偏振敏感度且易制作的闪耀光栅。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有高衍射效率，低偏振敏感度且易制作的透射式二维二元闪耀光栅，用于降低光栅型成像光谱仪偏振敏感度以提高其探测精度。
为实现上述发明目的，本发明提供一种低偏振度二维二元闪耀光栅，它为柱状亚波长微结构透射式光栅，在沿槽线方向y和与其正交的x方向，分别呈周期性排布光栅单元，y方向的光栅周期小于入射波长，x方向的光栅周期大于入射波长；每个光栅单元包括若干个子单元，各子单元x方向的长度相等，且小于入射波长；各子单元等效折射率n(m)满足条件：
，
其中，n 1为空气折射率，n 2为光栅层介质材料折射率，m为子单元序数， M为一个光栅单元内的子单元个数；
在一个光栅单元中，各子单元内柱状亚波长微结构的高度相同，其x和y方向的介质材料占空比f x （m）和f y （m）满足如下条件：
其中满足/>
，
其中满足/>
；
其中，λ为入射波长；d x和d y分别为子单元在x和y方向的长度；n eTE （m）为子单元TE偏振态等效折射率，n eTM （m）为子单元TM偏振态等效折射率，且满足n eTE (m)=n eTM (m) = n(m)；n xTE 和n xTM 为计算中间量。
本发明提供的二维二元闪耀光栅，其一个优选的方案是：光栅单元内的子单元个数M为4～10个。
与现有技术相比，本发明的突出效果在于：
1.本发明提供的二维二元闪耀光栅，具有低偏振敏感度和高衍射效率的衍射特性，且在参考波长处无偏振，有利于降低光栅型成像光谱仪的偏振敏感度，从而提高探测精度。
2.光栅槽形为等高度的二元结构，可通过电子束曝光或激光直写等单步曝光法制得，相比理想形貌的锯齿槽形要更易制作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅的槽形结构俯视示意图；
图2是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅中某个光栅单元的俯视示意图；
图3是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅中某个光栅单元的侧视示意图；
图4是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅等效为锯齿形闪耀光栅的原理流程示意图；
图5是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅中某个子单元的俯视示意图图；
图6是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅的三维结构示意图；
图7是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅的衍射效率曲线。
图中：1.光栅单元；2.第一柱状亚波长微结构；3.第二柱状亚波长微结构；4.第三柱状亚波长微结构；5.第四柱状亚波长微结构；6.第五柱状亚波长微结构；7.第六柱状亚波长微结构；8.第一子单元；9.第二子单元；10.第三子单元；11.第四子单元；12.第五子单元；13.第六子单元；14.第七子单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步描述。
实施例1
本实施例提供一种低偏振度二维二元闪耀光栅，用于降低光栅型成像光谱仪的偏振敏感度，以提高其探测精度。
参见附图1、2和3，它们分别为本实施例提供的二维二元闪耀光栅的槽形结构俯视示意图、某个光栅单元的侧视示意图和俯视示意图；图1中， y为沿槽线方向，x方向与y正交，光栅单元1在x和y两个正交方向呈周期性排布，x方向光栅周期为T，为d y；由图2可见，本实施例提供的一个光栅单元包含7个子单元，依次为第一子单元8，第二子单元9，第三子单元10，第四子单元11，第五子单元12，第六子单元13和第七子单元14；每个子单元x和y方向宽度分别为d x和d y，（d y即为y方向的光栅周期）；第一子单元8内无介质材料，最后一个子单元14内充满介质材料；由图3可见，本实施例提供的光栅单元，在光栅基底15上包括6个高度相同的柱状亚波长结构，依次分别为第一柱状亚波长微结构2，第二柱状亚波长微结构3，第三柱状亚波长微结构4，第四柱状亚波长微结构5，.第五柱状亚波长微结构6和第六柱状亚波长微结构7。
参见附图4，为本实施例提供的二维二元闪耀光栅等效为锯齿形闪耀光栅的原理流程示意图，图4（a）为锯齿形闪耀光栅槽形，正入射的光线经光栅槽后位相变化量为∆Φ=2π(n 2-n 1)h/λ，其中n 2为光栅介质材料折射率，n 1为空气折射率，h为光线入射槽面的位置高度，λ为入射波长。闪耀光栅在一个光栅周期内，入射光线位相变化量∆Φ从0到2π线性变化，这除了通过h线性变化的锯齿槽形实现外，还可通过槽内折射率线性变化的矩形槽实现，如图4（b），矩形槽高度与锯齿槽顶点高度相同。图4（b）所示结构的周期性排列在工艺上是难实现的，需用工艺可实现的结构近似。具体地，将折射率连续变化的光栅单元离散为有限个均匀折射率的子单元，如图4（c），子单元折射率n(m)满足如下公式（1）：
（1）
其中M为离散子单元数目，m为子单元序数，不同子单元折射率从n 1到n 2线性变化；利用再借助等效介质理论，用各子单元介质折射率相同但占空比不同的柱状亚波长二元结构等效，如图4（d），求解每个子单元内介质材料占空比，实现各子单元的等效折射率与公式（1）对应。这样，图4（a）所示的锯齿形闪耀光栅就可由图4（d）所示的二元闪耀光栅等效。
参见附图5，为本实施例提供的二维二元闪耀光栅的一个子单元俯视图。柱状结构材料折射率为n 2，周围环境折射率为n 1，柱状亚波长结构可以将其所在的子单元等效为均匀介质，其等效折射率与柱状亚波长结构在两个正交方向占空比f x和f y有关，调整f x和f y的值可获得任意从n 1至n 2的等效折射率，在本实施例中，离散子单元数目M为7，子单元序数m分别依次为正整数1～7。通过调整各子单元内柱状结构的介质材料占空比，使子单元等效折射率n(m)满足公式（1）的条件：
（1）
并且等效折射率还与入射光的偏振态有关，TE偏振态等效折射率n eTE 和TM偏振态等效折射率 n eTM 分别满足公式（2）和公式（3）。通过调整f x和f y可同时控制n eTE 和n eTM ，且存在合适的f x和f y，使n eTE =n eTM ，这样光栅是无偏振的。
式（2）如下：
（2）
其中满足/>
，
式（3）如下：
（3）
其中满足/>
；
在本实施例中，每个子单元x和y方向宽度分别为d x=472.9nm，d y=473nm；光栅层介质材料和基底材料均为二氧化硅，折射率为n 2=1.46，光栅上层覆盖为空气，折射率为n 1=1。光栅槽深H=1.2μm，各子单元等效折射率满足公式（1）且n eTE =n eTM ，各柱状亚波长结构占空比满足公式（2）和（3），槽形设计的参考波长为0.7μm。对于每一个子单元，都满足n eTE (m)=n eTM (m)，因此该光栅是无双折射效应的，光栅槽对透过光线的位相调制与偏振无关，从而实现在参考波长处无偏振的衍射特性。
表1为本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅各子单元内柱状亚波长结构的占空比和对应的子单元等效折射率值。
表1
| 子单元 | f x | f y | n eTE | n eTM |
| 1 | 0 | 0 | 1.000 | 1.000 |
| 2 | 0.502 | 0.301 | 1.077 | 1.077 |
| 3 | 0.595 | 0.497 | 1.153 | 1.152 |
| 4 | 0.712 | 0.651 | 1.230 | 1.231 |
| 5 | 0.822 | 0.795 | 1.307 | 1.307 |
| 6 | 0.921 | 0.918 | 1.383 | 1.383 |
| 7 | 1 | 1 | 1.460 | 1.460 |
由表1可见，在本发明提供的一个光栅单元中，各子单元内柱状结构高度相同，x和y方向的介质材料占空比f x和f y不同，且随子单元序数依次增大；第一个子单元内无介质材料，最后一个子单元内充满介质材料。
图6所示为本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅的三维结构示意图，槽形结构与表1中数据对应。
图7是本发明实施例提供的二维二元闪耀光栅的衍射效率曲线。在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%，偏振敏感度仅为0.06%，可忽略。0.6μm～0.8μm波段内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%，偏振敏感度仅在波段两端处较大，最大值为2.8%。该二维二元闪耀光栅具有低偏振敏感度和高衍射效率，适用于高信噪比和高辐射测量精度要求的光栅型成像光谱仪。
闪耀光栅能够将入射光的绝大部分能量集中至某一衍射级上，大大提高光栅的衍射效率。本发明提供的二维二元闪耀光栅的光栅单元在x和y两个正交方向呈周期性排布，每个光栅单元包含多个子单元，各个子单元宽度相等且小于入射光波长，不同子单元内的柱状结构形状不同。当各柱状结构设计为合适的形状时，二维二元闪耀光栅可极好的等效为锯齿形闪耀光栅，并且具有低偏振敏感度和高衍射效率的衍射特性。还由于本发明提供的二维二元闪耀光栅槽形为等高度的二元结构，可通过电子束曝光或激光直写等单步曝光法制得，相比理想形貌的锯齿槽形更易制作。
Claims (2)
1.一种低偏振度二维二元闪耀光栅，其特征在于：它为柱状亚波长微结构透射式光栅，在沿槽线方向y和与其正交的x方向，分别呈周期性排布光栅单元（1），y方向的光栅周期小于入射波长，x方向的光栅周期大于入射波长；每个光栅单元包括若干个子单元，各子单元x方向的长度相等，且小于入射波长；各子单元等效折射率n(m)满足条件：
，
其中，n 1为空气折射率，n 2为光栅层介质材料折射率，m为子单元序数， M为一个光栅单元内的子单元个数；
在一个光栅单元中，各子单元内柱状亚波长微结构的高度相同，其x和y方向的介质材料占空比f x （m）和f y （m）满足如下条件：
其中满足/>
，
其中满足/>
；
其中，λ为入射波长；d x和d y分别为子单元在x和y方向的长度；n eTE （m）为子单元TE偏振态等效折射率，n eTM （m）为子单元TM偏振态等效折射率，且满足n eTE (m)=n eTM (m) = n(m)； n xTE 和n xTM 为计算中间量。
2.根据权利要求1所述的二维二元闪耀光栅，其特征在于：一个光栅单元内的子单元个数M为4～10个。
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Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113031139B (zh) * | 2019-12-25 | 2022-07-05 | 南开大学 | 一种3d打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅 |
| CN112925117A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-08 | 艾普偏光科技(厦门)有限公司 | 一种rgb三色导膜可见光变色的眼镜镜片及制备方法 |
| CN113253373B (zh) * | 2021-04-02 | 2022-05-31 | 艾普偏光科技(厦门)有限公司 | 一种闪耀光栅技术可见光变色的眼镜镜片 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1478205A (zh) * | 2000-11-03 | 2004-02-25 | OVD�������ķ�ɷݹ�˾ | 衍射光的二元光栅结构 |
| CN101556356A (zh) * | 2009-04-17 | 2009-10-14 | 北京大学 | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 |
| WO2011106553A3 (en) * | 2010-02-24 | 2012-01-19 | The Regents Of The University Of California | Planar, low loss transmitting or reflecting lenses using sub-wavelength high contrast grating |
| CN103033945A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-10 | 北京信息科技大学 | 偏振转换器、矢量光束生成系统及方法 |
| CN104090333A (zh) * | 2014-06-23 | 2014-10-08 | 天津工业大学 | 一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用 |
| CN104931141A (zh) * | 2015-06-30 | 2015-09-23 | 西安交通大学 | 一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像方法 |
| CN206114936U (zh) * | 2016-07-25 | 2017-04-19 | 华中科技大学 | 一种偏振衍射光栅结构及耦合谐振腔 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1478205A (zh) * | 2000-11-03 | 2004-02-25 | OVD�������ķ�ɷݹ�˾ | 衍射光的二元光栅结构 |
| CN101556356A (zh) * | 2009-04-17 | 2009-10-14 | 北京大学 | 一种光栅耦合器及其在偏振和波长分束上的应用 |
| WO2011106553A3 (en) * | 2010-02-24 | 2012-01-19 | The Regents Of The University Of California | Planar, low loss transmitting or reflecting lenses using sub-wavelength high contrast grating |
| CN103033945A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-10 | 北京信息科技大学 | 偏振转换器、矢量光束生成系统及方法 |
| CN104090333A (zh) * | 2014-06-23 | 2014-10-08 | 天津工业大学 | 一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用 |
| CN104931141A (zh) * | 2015-06-30 | 2015-09-23 | 西安交通大学 | 一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像方法 |
| CN206114936U (zh) * | 2016-07-25 | 2017-04-19 | 华中科技大学 | 一种偏振衍射光栅结构及耦合谐振腔 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 亚波长光栅的偏振闪耀特性;赵华君;袁代蓉;乔闹生;冯国英;;强激光与粒子束(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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