CN113960785A - 一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，涉及到微纳光学领域。该超表面衍射光学元件组由第一个1/4波片、超表面、第二个1/4波片、偏振片共同构成，可实现对超表面出射光波的零级光的消除。当线偏光入射至该结构，生成光波的相位被调制，从第二个1/4波片出射时，目标光波的偏振态和零级光的偏振态正交，再通过偏振片就可消除零级光，只留下被调制相位的光波。本发明涉及的超表面衍射光学元件组设计方法可应用于人脸识别、体感设备、全息等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，尤其涉及一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法。
背景技术
衍射光学元件(Diffractive Optical Elements, DOEs)由于体积小、重量轻、光波调节灵活等突出优势，在国防、航空航天、科研、消费电子等领域得到广泛的应用。虽然理论设计的衍射光学元件零级光可以为零，但由于不同像元加工误差的共同累积效应，轻微的加工误差都将造成零级光的急剧增大，成为制约衍射光学元件性能的最主要因素之一。由于传统DOEs的零级光和具有相位调节的信号光的特征区分不明显，很难从原理上消除零级光带来的不利影响。目前的主要方案是采用离轴设计(让信号图像远离光轴、以避开零级)，但带来的问题是衍射空间至少有一半的信息没有被利用，造成DOEs信息通道的浪费。
超表面(metasurfaces)是新近发展起来的新一代平面衍射光学元件，其具有超薄的亚波长结构特征，且具有精密、超高分辨率的相位调节功能，有望在未来取代传统基于浮雕调制的DOEs，在全息片、大数值孔径透镜、变焦透镜、涡旋光发生器等方向得到重要的应用。这其中，具有几何相位(geometric phase)的超表面还具有一个重要的特征：其相位调节功能直接相关于入射光的偏振态，即以某种旋向的圆偏光入射，出射光中的有相位调节功能的信号光与没有相位调节的零级光的旋向是相反的。利用几何相位超表面的这一特征，我们有望设计出一种可消除零级光的超表面衍射光学元件。
发明内容
本发明提供了一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，该衍射光学元件组由第一个1/4波片、超表面、第二个1/4波片、偏振片共同构成，可以实现对超表面出射光波的零级光的消除。基于以上发明内容，本发明的技术方案如下：
一种消除零级光的超表面衍射光学元件组，由第一个1/4波片，超表面，第二个1/4波片，偏振片共同构成，可实现对超表面出射光波的零级光的消除。当线偏光入射该衍射元件组，生成光波的相位被调制，从第二个1/4波片出射时，目标光波的偏振态和零级光的偏振态正交，再通过偏振片就可消除零级光，只留下被调制相位的光波。所述的超表面由基底和纳米砖阵列组成，基底划分为多个周期性单元结构，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有一个纳米砖，其结构尺寸长L、宽W和高H均为波长级。所述的超表面的每一个纳米砖可等效为半波片，且为透射式工作。
在以上技术方案基础上，第一个1/4波片的快轴与入射线偏光呈45°夹角，第二个1/4波片的快轴与所述的偏振片的偏振方向夹角为45°。
在以上技术方案基础上，当线偏光入射到第一个1/4波片后，出射光为圆偏光，圆偏光入射所述的超表面时，大部分圆偏光旋向变为相反，然而受到偏振转换效率的限制，少部分旋向不变。其中旋向相反的光受到相位调制，成为有用的衍射光；旋向不变的光没有相位调制、成为无用的零级光。旋向相反的圆偏光通过所述的第二个1/4波片后变为与所述偏振片偏振方向相同的线偏光，因此能够通过；而零级光通过所述的第二个1/4波片后变为与所述偏振片偏振方向正交的线偏光，因此无法通过偏振片、被消除。
本发明所设计的一种消除零级光的衍射光学元件组设计方法具有以下优点和积极效果：
1.本发明所设计的一种消除零级光的衍射光学设计方法，在线偏光入射时，可调制透射光的相位生成任意相位的光波。
2.通过第一个1/4波片、超表面、第二个1/4波片、偏振片共同作用，可用于消除透射光的零级光。
3.超表面具有超薄的亚波长结构特征，且具有精密、超高分辨率的相位调节功能。因此本发明具有体积小，重量轻，集成化程度高，未来可应用于各种微型化的光电器件中。
附图说明
图1为本发明实例中超表面单元结构示意图。
图2为本发明实例中超表面纳米砖调制光波和零级光的透射率扫描图。
图3为本发明实例中超表面衍射光学元件组的总体结构组成及原理图。1为第一个1/4波片，斜线为波片的快轴方向，夹角α为45°；2为超表面；3为第二个1/4波片，斜线为波片的快轴方向，夹角β为135°；4为偏振片，斜线为偏振片的偏振方向，夹角θ为90°。
具体实施方式
下面将结合附图具体说明本发明的实施方式和原理设计以及技术效果。
本发明实例提供了一种消除零级光的超表面元件设计方法，该超表面衍射光学元件组由第一个1/4波片、超表面、第二个1/4波片、偏振片共同构成，可实现对超表面出射光波的零级光的消除。
实例中第一个1/4波片的快轴与入射线偏光呈45°夹角，第二个1/4波片的快轴与所述的偏振片的偏振方向夹角为45°，两个1/4波片的工作波长均在633nm。
实例中的超表面由基底和纳米砖阵列组成，基底划分为多个周期性单元结构。如图1所示，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有一个纳米砖，其结构尺寸长L、宽W和高H均为波长级。以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。超表面的每一个纳米砖可等效为半波片，且为透射式工作。
以工作波长λ=633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，通过第一个1/4波片后的左旋圆偏光垂直入射，在工作波长下扫描纳米砖单元的结构参数，包括L、W、H、C，以透射偏振转换效率为优化对象，使其反向偏振效率尽可能高，同时使同向偏振效率尽可能低。经过优化设计之后的纳米砖结构参数为L=160nm，W=80nm，H=400nm，C=300nm。调制光波和零级光的透射率扫描图如图2。可以看出，调制光波的透射效率达到97%以上，而零级光的透射效率仅为1.3%左右。因此，大部分左旋圆偏光变为右旋圆偏光；然而受到偏振转换效率的限制，少部分出射光波旋向不变。其中变为右旋圆偏光的光受到相位调制，成为有用的衍射光；保持左旋的圆偏光没有相位调制、成为无用的零级光。
虽然上述零级光的理论值只有1.3%，但事实上由于加工误差的影响，偏振转化效率会出现下降，因此实际工作的零级光将会比1.3%高出很多。为了解决这个问题，如图3所示，右旋的调制光波和左旋的零级光入射到第二个1/4波片后，出射光波的偏振态相互正交，设调制光波的偏振方向为x方向，则零级光的偏振方向为y方向。入射到偏振方向为x方向的偏振片后，调制光波通过偏振片，而零级光则无法通过，被消除。
综上，当线偏光入射至所述超表面衍射光学元件组时，可消除零级光从而获得相位被调制的光波。即所述超表面衍射光学元件组可实现对超表面出射光波的零级光的消除。
Claims (8)
1.一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，其特征在于：
由第一个1/4波片、超表面、第二个1/4波片、偏振片构成，可实现对超表面出射光波的零级光的消除。
2.如权利要求1所述的一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，其特征在于：
所述的第一个1/4波片的快轴与入射线偏光的偏振方向呈45°夹角，出射光变为圆偏光，所述的第二个1/4波片的快轴与所述的偏振片的偏振方向夹角为45°。
3.如权利要求1所述的一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，其特征在于：
所述的超表面由基底和纳米砖阵列组成，基底划分为多个周期性单元结构，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有一个纳米砖，其结构尺寸长L、宽W和高H均为波长级。
4.以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。
5.如权利要求1所述的一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，其特征在于：
所述的超表面的每一个纳米砖可等效为半波片，且为透射式工作。
6.如权利要求1所述的一种消除零级光的超表面衍射光学元件组设计方法，其特征在于：
当线偏光入射到第一个1/4波片后，出射光为圆偏光，圆偏光入射所述超表面时，大部分圆偏光旋向变为相反，然而受到偏振转换效率的限制，少部分旋向不变。
7.其中旋向相反的光受到相位调制，成为有用的衍射光；旋向不变的光没有相位调制、成为无用的零级光。
8.旋向相反的圆偏光通过所述的第二个1/4波片后变为与所述偏振片偏振方向相同的线偏光，因此能够通过；而零级光通过所述的第二个1/4波片后变为与所述偏振片偏振方向正交的线偏光，因此无法通过偏振片、被消除。
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