CN113899451B - 光谱仪、超表面分光器件 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种光谱仪和一种超表面分光器件。其中，光谱仪包括：至少一个反射型曲面超表面器件，用于实现不同波长光的分光，具有曲面基底和纳米结构层；探测器，用于接收由所述反射型曲面超表面器件分光后形成的聚焦光。根据本公开技术方案，采用反射型曲面超表面器件来实现分光，能够将实现光聚焦的光焦度一部分转移给曲面基底，从而极大地降低了纳米结构设计和加工的难度，更加容易实现紧凑型光谱仪。

Description

光谱仪、超表面分光器件

技术领域

本发明涉及分光技术，具体而言，涉及一种光谱仪和超表面分光器件。

背景技术

光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。

现有的光谱仪包括：基于光栅的光谱仪、基于窄带滤光片阵列的光谱仪、基于离轴超表面的光谱仪等。基于光栅和离轴超表面的光谱仪通过不同波长的衍射角度不同来分光；窄带滤光片阵列光谱仪通过直接抽样提取特征光谱来实现分光测量。光谱编码是一种新型的光谱测量方法，其通过对入射光的光谱编码后进行重建得到入射光的光谱信息，编码器件可为Fabry-Perot腔(F-P腔/标准具)。图1给出了三种不同形式的光谱仪工作原理。

哈佛大学利用透射式超表面将不同波长的聚焦到像面不同的高度(轴外聚焦式)实现分光，如图2(A)所示；加州理工大学利用平面超表面多次反射的腔体方式实现了超表面折叠式分光的小型光谱仪，如图2(B)所示。

虽然利用超表面的分光的光谱仪已经被展示，但轴外聚焦式超表面相位变化大，对超表面的设计和加工都提出很大挑战；另一方面，多次反射腔式超表面需在一个平面腔内多次反射分光，设计、加工、装调难度均较大。

发明内容

鉴于以上问题，做出本发明。曲面超表面作为一种新型超表面在系统小型化、色差校正方面有着诸多用途，本发明使用曲面超表面来实现分光测量。

根据本发明一方面，提供一种光谱仪，包括：至少一个反射型曲面超表面器件，用于实现不同波长光的分光，具有曲面基底和纳米结构层；探测器，用于接收由所述反射型曲面超表面器件分光后形成的聚焦光。

根据本发明另一方面，提供一种用在光谱仪中的超表面分光器件，包括：至少一个反射型平面超表面器件；至少一个反射型曲面超表面器件，具有曲面基底和纳米结构层，用于实现不同波长光的分光。

根据本发明又一方面，提供一种用在光谱仪中的超表面分光器件，包括：至少两个反射型曲面超表面器件，具有曲面基底和纳米结构层，用于实现不同波长光的分光。

根据本发明技术方案，采用反射型曲面超表面器件来实现分光，能够将实现光聚焦的光焦度一部分转移给曲面基底，从而极大地降低了纳米结构设计和加工的难度，更加容易实现紧凑型光谱仪。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施方式和解释本发明的原理和优点。其中：

图1示出根据现有技术三种不同形式的光谱仪的工作原理。

图2示出根据现有技术透射式超表面和平面超表面实现分光的工作原理。

图3示出根据本发明实施方式的光谱仪的示意性图示。

图4示出曲面超表面反射光线的示意图。

图5示出根据本发明实施方式的光谱仪的示意性图示。

图6示出根据本发明又一实施方式的光谱仪的示意性图示。

图7示出根据本发明实施方式反射型曲面超表面器件310的一个具体结构。

图8示出根据本发明实施方式纳米结构层的具体排布方式。

图9示出根据本发明实施方式的纳米结构单元的放大示意图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施方式的理解。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其它实施方式更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施方式，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

光谱仪第一实施方式

根据本发明实施方式，提供一种光谱仪。该光谱仪采用基于曲面基底的反射型曲面超表面器件。图3示出根据本发明实施方式的光谱仪的示意性图示。如图3所示，该光谱仪包括：

至少一个反射型曲面超表面器件310，用于实现不同波长光的分光，其具有曲面基底和纳米结构层。反射型曲面超表面器件310的加工方法比如可以是：直接在曲面基底上加工纳米结构，比如将加工好的纳米结构竖直向下附着在曲面上。

探测器320，用于接收由反射型曲面超表面器件分光后形成的聚焦光。探测器320可以采用比如CCD和CMOS等。

如图3所示，待测光入射到反射型曲面超表面器件310上，经反射型曲面超表面器件310分光后，不同波长的光聚焦在探测器320不同的位置上。

反射型曲面超表面器件310的分光原理

下面参考图4描述反射型曲面超表面器件310分光的原理。

如图4所示，待检测光比如宽谱光经平行后入射到反射型曲面超表面上，曲面基底和纳米结构层分别给不同波长的光一个相位φconformal_meta(x,y,λ)，由公式(1)给出：

式中，x,y为所计算位置的横纵坐标,λ是波长，则为φconformal_meta(x,y,λ)，/>为曲面基底带来的相位变化(波长相关)，/>为曲面基底上纳米结构层带来的相位变化。

经反射型曲面超表面器件310反射后，不同波长的入射光聚焦到探测器320的不同位置上，转化成电信号读出从而确定入射光不同波长的强度，因此确定宽谱入射光的光谱信息。

关于如何得到反射角，现有技术里仅给出了平面超表面反射角的计算方式。根据本发明技术方案，对于曲面超表面，可以利用切线方向来计算反射角，如公式(2)所示，从而可以确定不同波长光在探测器上的焦点位置。

式中，θ_r是反射角，θ_i是入射角，k是波数等于2π/λ，是曲面超表面带来的相位，s是入射点的切线方向，如图4所示。

通过以上方式，可以实现：不同波长的光入射到反射型曲面超表面器件310上，通过反射型曲面超表面器件310给予不同的相位，进而以不同的反射角反射到探测器320上，从而聚焦在探测器320不同的位置上。

图3示例性示出了采用一个反射型曲面超表面器件310的情况。然而，反射型曲面超表面器件310的数目不受限制。图5示出了采用两个反射型曲面超表面器件310的示例。下面参考图5描述采用两个反射型曲面超表面器件310时的工作原理。

在图5中，待检测光比如宽谱光经平行后先入射到第一反射型曲面超表面后添加相位φconformal_meta1(x,y,λ)(由公式(1)给出)进行一次分光。经第一反射型曲面超表面反射后的光线(参考广义反射定律，公式(2))到达第二反射型曲面超表面后经相位调制φconformal_meta2(x,y,λ)后，不同波长的入射光聚焦到探测器的不同位置上，转化成电信号读出从而确定入射光不同波长的强度，因此确定宽谱入射光的光谱信息。相比于基于单一反射型曲面超表面的光谱仪，经两次曲面超表面反射的光谱仪更加紧凑，更小型化；相比于以下第二实施方式所述的基于平面+曲面超表面反射的光谱仪，两个超表面能把部分光焦度集中到曲面基底上，从而降低了超表面纳米结构的设计与加工难度。

以上示出了采用两个曲面超表面的示例。本发明在此不受限制，还可以采用三个以上的曲面超表面等。

采用反射型曲面超表面器件来实现分光，能够将实现光聚焦的光焦度一部分转移给曲面基底，从而极大地降低了纳米结构设计和加工的难度，更加容易实现紧凑型光谱仪。

光谱仪第二实施方式

在图3所示的光谱仪中，还可以增设反射型平面超表面器件，如图6所示。在图6所示的示例中，待检测光比如宽谱光经平行后先入射到反射型平面超表面，添加相位φplane_meta(x,y,λ)(由公式(1)给出)进行一次分光。经反射型平面超表面反射后的光线(参考广义反射定律，公式(2))到达反射型曲面超表面，经相位调制φconformal_meta(x,y,λ)后，不同波长的入射光聚焦到探测器的不同位置上，转化成电信号读出从而确定入射光不同波长的强度，因此确定入射光的光谱信息。

相比于基于单一反射型曲面超表面的光谱仪，经两次超表面反射的光谱仪更加紧凑，更小型化。

图6所示仅是示例，还可以将反射型平面超表面设置在反射型曲面超表面之后，即待测光先经过反射型曲面超表面进行第一次分光，然后再入射到反射型平面超表面上进行第二次分光。此外，所采用的平面超表面和曲面超表面的数目也不受限制，取决于本领域技术人员期望达到的技术效果。

反射型曲面超表面器件310

以上提到：反射型曲面超表面器件310的加工方法可以是直接在曲面衬底上加工纳米结构。除了以上所述反射型曲面超表面器件310的构成之外，反射型曲面超表面器件还可以采用其他结构。图7示出反射型曲面超表面器件310的一个具体结构示例。如图7所示，按照从下到上的顺序，反射型曲面超表面器件310依次可以包括：

以上所述曲面基底710；反射层720，反射层沉积在曲面基底上，用于反射光，厚度可以在30-3000nm范围内。

介质层730，介质层730沉积在反射层720上，用作纳米结构的直接基底，然而，纳米结构也可以直接生长在反射层720上——这取决于根据实际情况需要达到的效果。介质层可选用的材料包括但不限于氮化硅、氧化钛、氧化硅、氧化铝等，厚度可以在100-1000nm范围内。

以上所述纳米结构层740，位于介质层730上方。纳米结构可以通过在介质层730上进行光刻加工得到，材料可以为：氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，纳米结构的布置使得其能够调制入射光，对不同波长的光进行分光。

应理解，参考图7所述的结构仅是反射型曲面超表面器件310可以采用的结构示例。如上所述，纳米结构也可以直接形成在曲面基底上，省去中间的介质层和反射层，从而使得结构更加紧凑。

纳米结构层640

下面参考图8描述纳米结构层740的示例性排布方式。

纳米结构层740也即超表面，可以包含一层亚波长的人工纳米结构膜，这是一种亚波长的人工层状材料，其在基底表面具有按照特定规则排列的纳米结构(或微纳结构)，对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性进行灵活有效的调控。

纳米结构层上设置有纳米结构单元。纳米结构单元可视为对超表面虚拟划分出的单元，主要用于辅助超表面设计。如图7所示，纳米结构单元可以呈阵列排布，所述纳米结构单元为正六边形和/或正方形，或者其他形状。如图8示例性所示，多个纳米结构单元彼此邻接。然而，多个纳米结构单元之间也可以不邻接。

每个纳米结构单元的中心位置或顶点位置，或者每个纳米结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。除了图中所示位置，纳米结构也可以设置在其他位置。

在图8所示示例性实施方式中，纳米结构可以是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元可以包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。

应理解，图8所示的纳米结构仅为示例，本领域技术人员可以根据实际需要调整纳米结构的透过率、材料、纳米结构单元的形状、纳米结构的放置位置等。本发明在此不受限制。

图9示出了纳米结构单元的放大示意图。如图9所示，纳米结构之间可以是空气填充或者其他可见光波段透明或半透明的材料——在超表面的工作波段为可见光(380～760nm)的情况下。当超表面工作波段为其他波段时，相应的纳米结构和填充材料需要在对应波段透明。

需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值优选地大于等于0.5。这是因为折射率差过小会使纳米结构和填充材料几乎等效为一种材料，使绝对值大于等于0.5可以获得较好的效果。

如图9所示，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等纳米柱结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

在不能提前判断宽谱光源的偏振态的情况下，优选偏振不相关的纳米结构。或者，在将光导入分光器件前先将入射光的偏振态调整为圆偏光，一个可以采用的具体实现方式为：在反射型曲面超表面器件310之前设有起偏器和1/4波片，其中入射光经起偏器后，偏振不相关的光转变为线偏振的光，然后再经过1/4波片，又转变为圆偏振光，再入射到反射型曲面超表面器件310上。本领域技术人员也可以根据实际需要采用其他光调整方式。通过这种方式，可将一部分光焦度给予曲面基底，极大降低了加工难度，实现分光比。

超表面分光器件

根据本发明实施方式，还提供一种用在光谱仪中的超表面分光器件。该超表面分光器件包括至少一个上述反射型曲面超表面器件，以及至少一个图6所示的反射型平面超表面器件。该超表面分光器件的工作方式可以参考图6所述。

根据本发明又一实施方式，还提供另一种用在光谱仪中的超表面分光器件。该超表面分光器件包括至少一个上述反射型曲面超表面器件。该超表面分光器件的工作方式可以参考图3和图5所述。

采用上述超表面分光器件，能够将实现光聚焦的光焦度一部分转移给曲面基底，从而极大地降低了纳米结构设计和加工的难度，且经两次超表面反射，可以使得光谱仪更加紧凑，更小型化。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施方式的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施方式或者不同实施方式中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”，“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素、步骤或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素、步骤或组件之间进行标识。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种光谱仪，其特征在于，包括：

至少一个反射型曲面超表面器件，用于实现不同波长光的分光，具有曲面基底和纳米结构层；所述纳米结构层中的纳米结构为偏振无关纳米结构；

反射型平面超表面器件，其中，待测光先通过所述反射型曲面超表面器件，经反射后到达所述反射型平面超表面器件；

探测器，用于接收由所述反射型平面超表面器件分光后形成的聚焦光。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，

入射光入射到所述反射型曲面超表面器件后，通过以下公式得到反射光的反射角，从而可以确定不同波长光在探测器上的焦点位置：

其中，θ_r是入射光的反射角，θi是入射光的入射角，k是波数，k等于2π/λ，λ是入射光的波长，是反射型曲面超表面器件给予入射光施加的相位，s是入射光的入射点的切线方向。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述至少一个反射型曲面超表面器件包括第一反射型曲面超表面器件和第二反射型曲面超表面器件，其中待测光先通过第一反射型曲面超表面器件，经反射后到达第二反射型曲面超表面器件，再由探测器接收。

4.根据权利要求2所述的光谱仪，其中所述纳米结构层上以阵列形式设置有多个纳米结构单元，在所述纳米结构单元的中心、或者中心和顶点位置、或者顶点位置，布置有纳米结构。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中所述纳米结构之间填充有空气或其他工作波段透明或半透明的材料。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中所述材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值大于或等于0.5。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括起偏器和1/4波片，其所设位置使得光先经过起偏器，再经过1/4波片，然后入射到所述反射型曲面超表面器件。

8.一种用在光谱仪中的超表面分光器件，其特征在于，包括：

至少一个反射型平面超表面器件；

至少一个反射型曲面超表面器件，具有曲面基底和纳米结构层，用于实现不同波长光的分光，

所述超表面分光器件或者包括：

至少一个反射型曲面超表面器件，具有曲面基底和纳米结构层，用于实现不同波长光的分光。