CN110727039A - 基于超表面的双档矩形光栅的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，包括如下步骤：构建纳米砖结构单元；构建双档矩形光栅，双档矩形光栅包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向与x轴的夹角为α₁的线偏振光垂直入射纳米砖结构阵列再经过检偏方向与x轴的夹角为α₂的检偏器后，得到入射线偏振光经过纳米砖结构单元和检偏器后的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，再通过选择合适的入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器检偏方向α₂得到能够实现两种光栅周期的矩形光栅。本发明的方法制得的双档矩形光栅，其能同时实现两种光栅周期，产生不同的测量精度与量程，实现不同的分光与光谱测量能力。

Description

基于超表面的双档矩形光栅的构造方法

技术领域

本发明涉及微纳光学的技术领域，具体涉及一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法以及双档矩形光栅。

背景技术

对入射光波振幅进行调制的衍射光栅称为振幅型光栅，又称黑白光栅。矩形光栅作为一种常用的振幅型光栅，是在透明基底上刻画大量狭缝构成，被广泛应用于分光、衍射测量等领域。这种光栅对入射光波振幅的调制是按矩形函数变化的，对光的振幅调制有高透和低透两种状态，两种状态各出现一次组成光栅周期，光栅周期的大小直接决定了衍射测量精度及量程。光栅周期大，测量精度低，量程大；光栅周期小，测量精度高，量程小。目前，单一光栅无法同时满足高精度与大量程，且通过刻画狭缝的方式产生高质量矩形光栅加工难度较高，费用不够低廉，难以批量复制。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，该方法制备出的矩形光栅能同时实现一大一小两种光栅周期，从而产生不同的测量精度与量程，具有广阔的应用前景。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构参数，其中，所述纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在所述基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建双档矩形光栅，所述双档矩形光栅包括纳米砖结构阵列，所述纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向与x轴的夹角为α₁的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构阵列再经过检偏方向与x轴的夹角为α₂的检偏器后，得到入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，然后根据所要加工的双档矩形光栅要求的每档光栅周期的透射系数的分布以及得到的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ、检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，在确定了各档光栅周期的入射线偏振光偏振方向α₁值和检偏器检偏方向α₂值后，再计算得出满足各档光栅周期的透射系数分布要求的纳米砖转向角θ的多种候选角度，然后从各档光栅周期的纳米砖转向角θ的多种候选角度中选出同时符合两档光栅周期的透射系数分布要求的每个所述纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述纳米砖阵列中的每个所述纳米砖结构单元上的所述纳米砖按选出的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得双档矩形光栅。

进一步地，入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后的出射光强I与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖朝向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系为：

进一步地，当入射线偏振光偏振方向α₁＝-22.5°，检偏器检偏方向α₂＝22.5°，此时得到所述双档矩形光栅的第一档光栅周期的出射光强I₁与所述纳米砖转向角θ的余弦函数关系：

当入射线偏振光偏振方向α₁＝67.5°，检偏器检偏方向α₂＝22.5°，此时得到所述双档矩形光栅的第二档光栅周期的出射光强I₂与所述纳米砖朝向角θ的余弦函数关系：

进一步地，优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为：以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖结构单元，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

进一步地，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述工作面边长C以及所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H的尺寸。

进一步地，所述纳米砖结构阵列中各所述纳米砖的尺寸以及两两相邻的所述纳米砖的中心间隔均相同。

进一步地，所述透明基底采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖采用为金属材料或为电介质材料制成。

本发明的另一个目的时提法一种根据上述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法制得的双档矩形光栅。

本发明提高的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其包括多个由透明基底和沉积在其上的纳米砖构成纳米砖结构单元；在本发明中，纳米砖结构单元功能等效为起偏器，即偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射；当线偏振光入射至超表面后，再经过一检偏器时，由马吕斯定律可知其振幅会发生变化，因此通过合理选择入射线偏振光偏振方向、纳米砖转角、检偏器检偏方向，可以实现两档周期不同的矩形光栅。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明的方法制得的双档矩形光栅，其能同时实现一大一小两种光栅周期，从而产生不同的测量精度与量程，以实现不同的分光与光谱测量能力，设计灵活，功能强大，且只需一次光刻，加工容易，具有广阔的应用前景；

2)本发明的纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的矩形光栅体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。

3)由于该矩形光栅为二台阶平面结构，因此在加工制造、批量生产等方面较为简单、节约成本。

附图说明

图1为本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例中纳米砖结构单元的俯视图；

图3为本发明实施例中纳米砖结构单元的长短轴透过率扫描图；

图4为本发明实施例中长周期矩形光栅透过率高低分布的示意图；

图5为本发明实施例中短周期矩形光栅透过率高低分布的示意图；

图6为本发明实施例中基于超表面的双档矩形光栅中的纳米砖转向角排布图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构参数，其中，纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在所述基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，纳米砖的转向角为纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建双档矩形光栅，该双档矩形光栅包括纳米砖结构阵列，而纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向与x轴的夹角为α₁的线偏振光垂直入射纳米砖结构阵列再经过检偏方向与x轴的夹角为α₂的检偏器后，得到入射线偏振光经过纳米砖结构单元和检偏器后的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，然后根据所要加工的双档矩形光栅要求的每档光栅周期的透射系数的分布以及得到的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ、检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，先确定各档光栅周期的入射线偏振光偏振方向α₁值和检偏器检偏方向α₂值，再计算得出满足各档光栅周期的透射系数分布要求的纳米砖转向角θ的多种候选角度，然后从各档光栅周期的纳米砖转向角θ的多种候选角度中选出同时符合两档光栅周期的透射系数分布要求的每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将纳米砖阵列中的每个纳米砖结构单元上的纳米砖按选出的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得双档矩形光栅。

在本实施例中，纳米砖2可以采用金属材料，如金、银、铝等制成，也可以使用高折射率电介质材料进行制作，如硅、二氧化钛等。基底1为蓝宝石(三氧化二铝)，当然其也可以采用其它的熔融石英玻璃材料制作而成，纳米砖2沉积在基底1工作面上形成纳米砖结构单元。单个纳米砖结构单元如图1所示，其俯视图如图2所示。纳米砖结构单元的透明基底1的工作面为正方形，工作面的边长为C；L为纳米砖长轴尺寸，W为纳米砖短轴尺寸，H为纳米砖高度，尺寸均为亚波长级，θ为纳米砖转向角。

双档矩形光栅包括纳米砖结构阵列，而纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，且纳米砖结构阵列中各相邻的纳米砖的尺寸和中心间隔均相同。为使该纳米砖结构单元等效为起偏器工作，以偏振方向相互垂直的两束线偏光入射，纳米单元结构尺寸根据这两束入射光的透过率进行优化得到，即偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光与偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光透过率一高一低。

以工作波长λ＝545nm为例进行说明，采用电磁仿真软件建模仿真，当纳米砖转向角为0时，以偏振方向沿x轴的x线偏振光和偏振方向沿y轴的y线偏振光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描纳米砖结构单元的结构参数，包括L、W、H、C，以两束线偏振光透过率一高一低为优化对象，扫描结果如图3所示。在该工作波长下，以x线偏振光透过率低于1％，y线偏光透过率高于90％为优化目标，得到纳米砖结构单元的结构参数为：L＝120nm，W＝50nm，H＝230nm，C＝300nm。因此，在上述优化好的纳米砖结构单元的结构参数下，该纳米砖结构单元功能等效为起偏器。

在上述纳米砖结构单元功能等效为起偏器的前提下，当线偏振光垂直入射纳米砖结构阵列时，纳米砖结构阵列中纳米砖转向角为θ的纳米结构单元对光场的调控功能可由下式说明，

即以偏振方向与x轴的夹角为α₁的线偏振光垂直入射时，出射光依然为线偏振光，偏振方向与纳米砖转向角相同，且出射光振幅等于入射光偏振方向和纳米砖朝向之间夹角的余弦。

再对出射光进行检偏，检偏器得检偏方向与x轴的夹角为α₂，出射光振幅变化可表示为

根据上述公式计算得到光强I为：

即得出射光强I与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ、检偏器的检偏方向α₂之间的余弦函数关系。

根据，上述的余弦函数关系可知，可以通过选择合适的入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器检偏方向α₂即可使得该矩形光栅能够实现两种光栅周期。

为了更加清楚地说明这一目标，在本实施例中，选择检偏方向与x轴之间的夹角为22.5°(即α₂＝22.5°)的检偏器进行检偏，通过改变入射线偏振光偏振方向α₁以及选择合适的纳米砖转向角θ来实现一大一小两种光栅周期。

具体地，当选取入射线偏振光偏振方向α₁＝-22.5°垂直入射时，检偏器的检偏方向α₂＝22.5°，此时双档矩形光栅的第一档光栅周期的出射光强I₁为：

当选取入射线偏振光偏振方向α₁＝67.5°垂直入射时，检偏器的检偏方向α₂＝22.5°，此时双档矩形光栅的第二档光栅周期的出射光强I₂为：

当纳米砖转向角θ分别为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°时，计算可得在第一档光栅周期的工作模式下，对应的出射光强分别为0.5、0、0、0.5，即其对应的透射系数为高、低、低、高，故22.5°和157.5°为该工作模式下，光栅的透射系数为高的纳米砖转向角θ的候选角度，而67.5°和112.5°则为该工作模式下，光栅的透射系数为低的纳米砖转向角θ的候选角度。在第二档光栅周期的工作模式下，对应的出射光强分别为0.5、0.5、0、0，即其对应的透射系数为高、高、低、低，故22.5°和67.5°为该工作模式下，光栅的透射系数为高的纳米砖转向角θ的候选角度，而112.5°和157.5°则为该工作模式下，光栅的透射系数为低的纳米砖转向角θ的候选角度。因此，在构造双档矩形光栅时，根据两档矩形光栅所要求的透射系数高低分布和两档光栅周期的工作模式下的出射光强公式，选取纳米砖阵列中的每个纳米砖结构单元上合适的纳米砖转向角θ以使得该纳米砖转向角θ的排布能同时满足两档矩形光栅所要求的透射系数高低分布，再将各纳米砖按照得到的对应位置处的纳米砖转向角θ进行布设，从而获得双档矩形光栅。例如，在矩形光栅的光栅面某一位置处，两档矩形光栅所要求的透射系数分别为高高、低高、低低、高低时，则在该光栅面上的纳米结构砖阵列中的多个纳米砖结构单元上的纳米砖转向角θ依次按22.5°、67.5°、112.5°、157.5°进行排布，从而得到所需的双档矩形光栅。

为了进一步说明本实施例，先设计一长周期光栅，其光栅周期为3微米，即为十个纳米砖结构单元，其透过率高低分布要求如图4所示，图中灰色代表高透、黑色代表低透，整体宽度为6微米。再设计一短周期光栅，其光栅周期为1.2微米，即为四个纳米砖结构单元，其透过率高低分布要求如图5所示，图中灰色代表高透、黑色代表低透，整体宽度为6微米。在确定了光栅长周期和光栅短周期的透过率高低分布后，可以选取前述的两种α₁值和α₂值作为该两种光栅周期的入射线偏振光和检偏器的参数，再从前述得出的每档光栅周期中的透过率高低对应的纳米砖转向角θ的候选角度中选取能同时符合两档光栅周期要求的透射系数分布的每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，将纳米砖阵列中的每个纳米砖结构单元上的纳米砖按选出的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，以获得双档矩形光栅。获得的双档矩形光栅既能实现该长光栅周期又能实现该短光栅周期。该双档矩形光栅上的纳米砖转向角θ的排布如图6所示。

在其他的实施方式中，可以根据需求设定工作波长及双档矩形光栅要求的长短周期从而得到所需的矩形光栅。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建纳米砖结构单元，优化得到以工作波长入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构参数，其中，所述纳米砖结构单元包括透明基底以及设置在所述基底工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角θ；

构建双档矩形光栅，所述双档矩形光栅包括纳米砖结构阵列，所述纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元，以偏振方向与x轴的夹角为α₁的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构阵列再经过检偏方向与x轴的夹角为α₂的检偏器后，得到入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，然后根据所要加工的双档矩形光栅要求的每档光栅周期的透射系数的分布以及得到的出射光强与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ、检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系，在确定了各档光栅周期的入射线偏振光偏振方向α₁和检偏器检偏方向α₂后，再计算得出满足各档光栅周期的透射系数分布要求的纳米砖转向角θ的多种候选角度，然后从各档光栅周期的纳米砖转向角θ的多种候选角度中选出同时符合两档光栅周期的透射系数分布要求的每个所述纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述纳米砖阵列中的每个所述纳米砖结构单元上的所述纳米砖按选出的各位置处对应的纳米砖转向角θ进行排布，从而获得双档矩形光栅。

2.如权利要求1所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，入射线偏振光经过所述纳米砖结构单元和所述检偏器后的出射光强I与入射线偏振光偏振方向α₁、纳米砖朝向角θ和检偏器检偏方向α₂之间的余弦函数关系为：

3.如权利要求2所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，当入射线偏振光偏振方向α₁＝-22.5°，检偏器检偏方向α₂＝22.5°，此时得到所述双档矩形光栅的第一档光栅周期的出射光强I₁与所述纳米砖转向角θ的余弦函数关系：

当入射线偏振光偏振方向α₁＝67.5°，检偏器检偏方向α₂＝22.5°，此时得到所述双档矩形光栅的第二档光栅周期的出射光强I₂与所述纳米砖朝向角θ的余弦函数关系：

4.如权利要求1所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为：以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖结构单元，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

5.如权利要求4所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述工作面边长C以及所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H的尺寸。

6.如权利要求1所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，所述纳米砖结构阵列中各所述纳米砖的尺寸以及两两相邻的所述纳米砖的中心间隔均相同。

7.如权利要求1所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法，其特征在于，所述透明基底采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖采用为金属材料或为电介质材料制成。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的基于超表面的双档矩形光栅的构造方法制得的双档矩形光栅。

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