CN112859215B - 一种红外波段的准连续的超表面分束器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外波段的准连续的超表面分束器件，包括基底部分和基底上的准连续超表面结构。该器件由传统的标量设计方法提供初始解再进行后续的矢量优化设计而成，其能将一束光束分为若干束传播方向不同的、能量分布可控的光束。其中，准连续超表面是具有特定面形的二元型结构，其高度为半个波长的光程差。这种准连续结构同时具有周期排布的特点，其周期的大小和具体的结构分布取决于分束需求。所述的准连续超表面分束器件具有结构简单、可集成性好等优势，所提出的设计方法能实现该类型器件的快速设计，适应不同的需求场景，可广泛应用于成像、光学制造、结构光等领域。
Description
技术领域
本发明涉及准连续超表面分束器件的技术领域，特别涉及一种红外波段的准连续的超表面分束器件。
背景技术
超表面是一种重要的控制光的工具，在显示、生物医药、光学制造、照明光源、探测等方面都有广泛地应用。超表面分束器将一束激光分成若干束，在光学通信、相机校正方面有所应用，但近年来对分束器最巨大的需求来自于智能手机上可以感知深度信息的结构光。在用于深度信息感知的结构光应用中，分束器件的光束均匀性和衍射角度都是重要的指标，这使得分束器件的周期在不断地变小，对传统的设计方法提出了更多的挑战。
传统的基于标量衍射的设计方法不支持大角度的分束器件的设计，基于矢量电磁仿真的优化方法可以对大角度的分束器进行仿真但对计算资源有很大的需求，比如使用遗传算法来对分束器件进行优化设计，每一次迭代都需要仿真若干个样本。除此之外一些具有梯度的超表面也能实现分束的效果，通过对单元结构的筛选、组合来实现分束。但是结构简单导致功能受限，分束的光束很少。到目前为止，对于大角度分束器件设计而言，在设计精确性和仿真的耗时之间还没有达到一个很好的平衡，所以采用兼顾设计效率与准确性的方法设计大角度准连续超表面分束器具有重要应用前景。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有大角度分束能力的准连续超表面器件的设计方法，此方法结合了矢量电磁仿真和迭代傅里叶算法的优化流程，能够快速设计、优化出具有大角度分束能力的准连续超表面分束器件。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种红外波段的准连续的超表面分束器件，包括基底、以及附着在基底上的准连续超表面结构；其中准连续超表面结构是由许多单元结构规则排列组成，单元结构为具有相对空气能产生半个波长光程差高度的二元结构，入射平面波由基底入射，在存在准连续超表面结构的位置会相对于没有结构的位置产生等于半个波长的光程差，以引入二阶相位调控从而达到分束的效果。
进一步地，所述的准连续超表面结构的最小特征尺寸大于周期的二十分之一。
进一步地，所述的单元结构尺寸，即周期的大小，小于入射光波长的6倍。
进一步地，所述的准连续超表面结构的面形具有突变相位分布，在不连续处超表面结构垂直于基底表面。
进一步地，所述器件的工作波长为940nm-1064nm。
进一步地，所述的准连续超表面由结合了矢量电磁仿真的迭代傅里叶算法设计而成，具体的结合方式为：原本在输入平面的标量数值仿真变为了矢量电磁仿真，这是由于标量近似在大角度分束情况下已经不能正确描述电场信息，在得到正确的各个级次的衍射效率之后，也并不像传统的迭代傅里叶算法一样仅仅将输出平面的振幅替换为目标振幅就进行迭代，而是根据具体的衍射级次能量分布做定向的振幅调控。
进一步地，该器件设计过程中结合了迭代傅里叶算法和矢量电磁仿真以实现精确、快速的逆向设计优化。
本发明原理在于：首先根据设计要求，即准连续超表面分束器的衍射角度大小、入射波长来确定单元结构的周期；根据入射波长选择具有合适透过率的材料以及确定超表面结构的厚度。由于是在红外波段，用来作为超表面结构的材料可以是硅或者是二氧化钛。单元结构呈具有不规则面形的、具有一定高度的二元结构。再结合提出的矢量迭代傅里叶算法设计并优化出能满足分束要求的结构图案。
所述的准连续超表面结构高度，在工作波段为940nm，超表面结构材料为硅时，取值可以在180nm-190nm之间；若结构材料为二氧化钛，则高度取值可以在310nm-320nm。
所述的基底材料为氧化铝(对应硅为超表面结构)；和二氧化硅(对应二氧化钛为超表面结构)。
本发明的有益效果在于：
本发明采用的准连续超表面的设计，相比于多台阶型的构造更方便加工。对于由散射结构单元组成的非连续超表面，省去了结构参数扫描、筛选等繁琐的过程。并且该结构的设计方法能有效地减少优化过程中地计算量，降低了对高性能计算机的依赖。
附图说明
图1为本发明的准连续超表面分束器件的示意图；其中，1为有超表面结构部分，2为基底材料，3为超表面结构的放大示意图(不同的分束场景会对应不同的结构面形)；
图2为具有特定衍射级次分布的分束器件的优化迭代过程、优化后得到的衍射效率分布和其单元结构的示意图(其中浅色部分为有结构的部分，深色部分为空气)；
图3为5×5分束器件的优化迭代过程以及效果对比图，其中，图3(a)为5×5分束器件的优化迭代过程，最大的衍射角度为35°，优化目标是将各个级次的能量变得均匀；图3(b)是优化前与优化后效果的对比；图3(c)是单元结构示意图(其中浅色部分为有结构的部分，深色部分为空气)；
图4为7×7分束器件的优化迭代过程以及效果对比图，其中，图4(a)为7×7分束器件的优化迭代过程，最大的衍射角度为70°，优化目标是将各个级次的能量变得均匀；图4(b)是优化前与优化后效果的对比；图4(c)单元结构示意图(其中浅色部分为有结构的部分，深色部分为空气)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示为所设计的准连续超表面分束器的示意图，对于不同的分束场景，器件会有不同面形的单元结构，但是均由上层的超表面结构和下层的基底结构组成。本发明中，超表面结构与基底材料对于红外波段应具有良好透过率。
本发明中，根据光的干涉和衍射的原理，根据光栅方程合理地设置周期大小：
Λsinθ＝mλ (1)
其中，Λ为单元结构的周期，θ是衍射级次的衍射角度，m表明该衍射级次的级数，λ为入射光的波长。对于准连续超表面结构的高度，其应相对于相同厚度的空气使入射光积累半个波长的相位延迟。先使用基于标量衍射理论的迭代傅里叶算法得到输出空间，即频域中各个级次的复振幅作为后续矢量优化的初始解。具体使用初始解建立矢量仿真模型的步骤为：逆傅里叶变换得到输入空间的复振幅，取相位再二值化得到的相位面形，其同时也是矢量仿真的材料结构面形。对于矢量电磁仿真得到的各个级次的能量，其均匀程度可以用均匀性误差来表示：
其中ηmax和ηmin分别是所有有效级次中最大衍射效率和最小衍射效率，uniformityerror 代表均匀性误差。优化的原理是：利用频域振幅项与实际的衍射效率具有相同的变化趋势的特点，在用矢量电磁仿真得到的真实的各个级次的衍射效率之后，根据衍射效率的不均匀程度定向地对频域振幅项进行调整：
其中Ak，ηk分别为第k次迭代中频域中的振幅系数和振幅系数所对应的各个有效级次的衍射效率。Mfunc(*)为调节振幅项的函数，此函数仅调节对应了具有最大衍射效率和具有最小衍射效率的那两个级次的振幅系数，即Ak_max/min，它对应的衍射效率又为ηk_max/min。其中下标k 代表迭代的次数。分母项中ηk_mean是第k次迭代中所有有效级次，即ηk，的衍射效率均值。R 是扰动因子，是一个接近1且大于0的随机数，可以在增加搜索随机性的同时改变调节振幅项的力度大小。Ak+1_max/min代表被更新的振幅系数。这样处理振幅项就可以对不断抑制最强的级次，不断增强最弱的级次，从而使得衍射级次的能量分布再优化过程中不断变得均匀。这个过程不断循环直到最后迭代次数达到上限或者分束器件的各级次的能量分布达到设计要求。下面，将结合具体实施例来进一步介绍本发明。
实施例1
本实施例针对940nm的红外光为入射光，设计了3个具有特定衍射级次分布的超表面分束器件，其超表面结构为硅，高度为180nm，基底材料为氧化铝，基底厚度在仿真中可视为无限厚，单元结构的周期为4.6μm，优化的目标是将衍射图案的能量优化至均匀分布(均匀性误差小于0.02时停止迭代)。图2展示了具体的优化迭代过程、优化停止时的坐标、最后优化得到的衍射级次能量分布。最后的优化结果显示了均匀性达到了设计要求。
实施例2
实施例针对940nm的红外光为入射光，设计了1个具有5×5分束点阵的准连续超表面分束器件，其超表面结构为硅，高度为180nm；基底材料为氧化铝，其厚度在仿真中可视为无限厚；单元结构的周期为4.60μm；优化的目标是将衍射图案的能量优化至均匀分布(均匀性误差小于0.02时停止迭代)。图3展示了具体的优化迭代过程、优化前和优化后得到的衍射级次能量分布。其中初始解和最优解在图3(a)中对应的坐标被圆圈标注。最后得到的最优解均匀性误差达到了0.12。
实施例3
实施例针对940nm的红外光为入射光，设计了1个具有7×7分束点阵的超表面分束器件，其超表面结构为二氧化钛，高度为310nm；基底材料为二氧化硅，基底厚度在仿真中可视为无限厚；单元结构的周期为4.24μm；优化的目标是将衍射图案的能量优化至均匀分布(均匀性误差小于0.02时停止迭代)。图4展示了具体的优化迭代过程、优化前和优化后得到的衍射级次能量分布。其中初始解和最优解在优化过程中对应的坐标被圆圈标注。最后得到的最优解均匀性误差达到了0.26。
以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种红外波段的准连续的超表面分束器件，其特征在于：包括基底、以及附着在基底上的准连续超表面结构；其中准连续超表面结构是由许多单元结构规则排列组成，单元结构为具有相对空气能产生半个波长光程差高度的二元结构，入射平面波由基底入射，在存在准连续超表面结构的位置会相对于没有结构的位置产生等于半个波长的光程差，以引入二阶相位调控从而达到分束的效果，所述的准连续超表面由结合了矢量电磁仿真的迭代傅里叶算法设计而成，先使用基于标量衍射理论的迭代傅里叶算法得到输出空间，即频域中各个级次的复振幅作为后续矢量优化的初始解，再用矢量电磁仿真得到的真实的各个级次的衍射效率之后，根据衍射效率的不均匀程度定向地对频域振幅项进行调整：
具体使用初始解建立矢量仿真模型的步骤为：逆傅里叶变换得到输入空间的复振幅，取相位再二值化得到的相位面形，其同时也是矢量仿真的材料结构面形，对于矢量电磁仿真得到的各个级次的能量，其均匀程度用均匀性误差来表示：
其中ηmax和ηmin分别是所有有效级次中最大衍射效率和最小衍射效率，根据衍射效率的不均匀程度定向地对频域振幅项进行调整：
其中Ak，ηk分别为第k次迭代中频域中的振幅系数和振幅系数所对应的各个有效级次的衍射效率；Mfunc(*)为调节振幅项的函数，仅调节对应了具有最大衍射效率和具有最小衍射效率的那两个级次的振幅系数，其中下标k代表迭代的次数；ηk_mean是第k次迭代中所有有效级次，即ηk的衍射效率均值；R是扰动因子，是一个接近1且大于0的随机数；Ak+1_max/min代表被更新的振幅系数；这个过程不断循环直到最后迭代次数达到上限或者分束器件的各级次的能量分布达到设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种红外波段的准连续的超表面分束器件，其特征在于：所述的准连续超表面结构的最小特征尺寸大于周期的二十分之一，所述的单元结构尺寸，即周期的大小。
3.根据权利要求1所述的一种红外波段的准连续的超表面分束器件，其特征在于：所述的单元结构尺寸，即周期的大小，小于入射光波长的6倍。
4.根据权利要求1所述的一种红外波段的准连续的超表面分束器件，其特征在于：所述的准连续超表面结构的面形具有突变相位分布，在不连续处超表面结构垂直于基底表面。
5.根据权利要求1所述的一种红外波段的准连续的超表面分束器件，其特征在于：所述器件的工作波长为940nm-1064nm。
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