CN115166990A - 一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及设计方法，该分光装置包括：反射层、透明基板和空间异向(各个区域的线栅方向不同)的金属线栅阵列；一束入射激光入射至所述分光装置后，首先在所述空间异向的金属线栅阵列中的第一个区域部分反射得到第一束子激光束，然后再通过所述反射层和所述空间异向的金属线栅阵列中的其他区域之间的部分反射和部分透射作用，得到其余多束子激光束。该分光装置与现有技术相比可用于高功率激光的分光，且具有结构紧凑、被动、零功耗、稳定性好等优点。

Description

一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及设计方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地说，涉及一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及制备方法。

背景技术

激光相比较传统光源具备高亮度、宽色域、长寿命等突出优点，是显示领域中较为理想的光源。然而，激光因其发光光谱线宽窄以及高相干性；当激光照射在粗糙物体表面时，会产生亮暗分布均匀的颗粒图样，这种颗粒结构称为“散斑”。

散斑的存在严重降低了投影图像的质量，因此必须被抑制。目前散斑抑制方法有很多，其中一种是利用分光装置将一束激光分为N束子激光作为光源来实现散斑的减少，而且若这N束子激光的光强相等且非相干则可将散斑对比度降低至最小值C_min＝1/N^1/2。

(本设计具有耐高功率激光的优点)

目前，常用的分光方法一般是利用多个分光棱镜或者多个镀有50％反射膜的镜片实现多光束的分光，但分光系统中使用的元件较多，增加了系统的体积，增加了系统的不稳定性，且这些元件是通过镀膜来实现分光的，高功率激光入射会造成膜层的损坏。因此常用的分光系统存在着不适用于高功率激光、体积大、操作复杂、系统稳定性差等缺点。例如专利号为CN102380712A的专利申请。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及设计方法，技术方案如下：

一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置，所述分光装置包括：线栅偏振片阵列；

所述线栅偏振片阵列包括：透明基板，所述透明基板包括相对设置的第一表面和第二表面；

位于所述第二表面上的金属线栅阵列，所述金属线栅阵列中各个区域的线栅方向都不相同；

所述分光装置还包括：位于所述第一表面上的反射层；

其中，一束入射激光从所述金属线栅阵列一侧入射至所述分光装置，经过所述金属线栅阵列和所述反射层后，形成多束光强相等且非相干的子激光束。

优选的，在上述分光装置中，所述透明基板为玻璃基板。

优选的，在上述分光装置中，所述金属线栅阵列中包括多个金属线栅区域；所述任意一个金属线栅区域包括多个金属线栅单元；

所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向都不相同；

任意一个所述金属线栅区域中所有的金属线栅单元的延伸方向相同。

优选的，在上述分光装置中，所述透明基板为长方体基板；

以所述长方体基板的长边为x轴，宽边为y轴，高边为z轴，建立三维坐标系；

所述线栅方向为所述金属线栅单元的延伸方向与所述y轴之间夹角所定义的方向。

优选的，在上述分光装置中，所述金属线栅阵列的材料为铝材料或金材料或银材料。

优选的，在上述分光装置中，所述透明基板的厚度满足相邻两个所述子激光束之间的光程差大于或等于所述入射激光的相干长度。

一种设计方法，用于设计上述任一项所述的一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置中各个金属线栅区域的线栅方向，所述设计方法包括：

仿真模拟获得所述线栅偏振片对所述入射激光的吸收率最小时的线栅周期参数、占空比参数和高度参数；

依据所述线栅周期参数、占空比参数和高度参数，仿真获得所述线栅偏振片随偏振态变化的透射率和反射率；

基于所述透射率和所述反射率，得到所述线栅偏振片的透射函数和反射函数；

依据所述透射函数和所述反射函数以及所述反射层的反射率，结合子光束光强相等和最后一个区域反射光强最小的条件，计算出所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域对应的线栅方向。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置包括：反射层、透明基板和空间异向的金属线栅阵列；一束入射激光入射至所述分光装置后，首先在空间异向的金属线栅阵列中的第一个区域部分反射得到第一束子激光束，然后再通过所述反射层和空间异向的金属线栅阵列中的其他区域之间的部分反射和部分透射作用，得到其余多束子激光束。该分光装置与现有技术相比可用于高功率激光的分光，且具有结构紧凑、被动、零功耗、稳定性好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的金属线栅偏振片的分光原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一个1*3阵列的基于空间异向金属线栅阵列的分光装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一个1*n阵列的基于空间异向金属线栅阵列的分光装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的金属线栅偏振片的分光原理示意图；参考图2，图2为本发明实施例提供的一个1*3阵列的基于空间异向金属线栅阵列的分光装置的结构示意图；图2中以具有三个金属线栅区域为例进行说明，用于将一束入射激光分为三束子激光束；参考图3，图3为本发明实施例提供的另一个1*n阵列的基于空间异向金属线栅阵列的分光装置的结构示意图；图3中以具有n个金属线栅区域为例进行说明，用于将一束入射激光分为n束子激光束。

其中，标号1指的是空间异向的金属线栅阵列；标号2指的是透明基板；标号3指的是反射层；标号1.1指的是空间异向的金属线栅阵列中的第一个金属线栅区域；标号1.2指的是空间异向的金属线栅阵列中的第二个金属线栅区域；标号1.3指的是空间异向的金属线栅阵列中的第三个金属线栅区域；标号1.(n-1)指的是空间异向的金属线栅阵列中的第n-1个金属线栅区域；标号1.n指的是空间异向的金属线栅阵列中的第n个金属线栅区域；标号4指的是入射激光；标号4.1指的是金属线栅偏振片的反射光；标号4.2指的是金属线栅偏振片的透射光；标号5.1指的是出射的第一子激光束；标号5.2指的是出射的第二子激光束；标号5.3指的是出射的第三子激光束；标号5.(n-1)指的是出射的第n-1子激光束；标号5.n指的是出射的第n子激光束。

如图1、图2和图3所示，所述分光装置包括：线栅偏振片阵列。

所述线栅偏振片阵列包括：透明基板，所述透明基板包括相对设置的第一表面和第二表面。

位于所述第二表面上的金属线栅阵列，所述金属线栅阵列中各个区域的线栅方向都不相同。

所述分光装置还包括：位于所述第一表面上的反射层。

其中，一束入射激光从所述金属线栅阵列一侧入射至所述分光装置，经过所述金属线栅阵列和所述反射层后，形成多束光强相等且非相干的子激光束。

具体的，如图1所示，该线栅偏振片由所述透明基板2和所述金属线栅阵列1组成；所述金属线栅阵列1位于所述透明基板2的第二表面上；入射激光4入射到所述金属线栅偏振片上的金属线栅阵列1上，其中偏振方向平行于线栅方向的光4.1被反射，偏振方向垂直于线栅方向的光4.2被透射，从而实现了金属线栅偏振片的分光。

如图2所示，所述分光装置由空间异向的金属线栅阵列1、所述透明基板2和所述反射层3组成。所述反射层3位于所述透明基板2的第一表面上，空间异向的金属线栅阵列1位于所述透明基板2的第二表面。

如图1-图3所示，所述金属线栅阵列中包括多个金属线栅区域；所述任意一个金属线栅区域包括多个金属线栅单元；任意一个所述金属线栅区域中所有的金属线栅单元的延伸方向相同。

可选的，在本发明实施例中以所述透明基板为长方体基板为例进行说明；以所述长方体基板的长边为x轴，宽边为y轴，高边为z轴，建立三维坐标系。所述线栅方向为所述金属线栅单元的延伸方向与所述y轴之间夹角所定义的方向。

空间异向的金属线栅阵列1各个金属线栅区域1.1-1.3的线栅方向各不相同，可选的经过计算设计，所述第一个区域1.1与y轴的夹角为59.2度(即第一个金属线栅区域中金属线栅单元的延伸方向与y轴之间的夹角为59.2度)，所述第二个区域1.2与y轴的夹角为12.7度(即第二个金属线栅区域中金属线栅单元的延伸方向与y轴之间的夹角为12.7度)，所述第三个区域1.3与y轴的夹角为102.7度(即第三个金属线栅区域中金属线栅单元的延伸方向与y轴之间的夹角为102.7度)。

一束入射激光4从所述金属线栅阵列1一侧入射至所述分光装置，经过空间异向的金属线栅阵列1的各个金属线栅区域1.1-1.3、所述透明基板2和所述反射层3，利用透射和反射相互作用，最终得到所述三束子激光束5.1-5.3，并且通过设计空间异向的金属线栅阵列1的各个金属线栅区域1.1-1.3的线栅方向，使得5.1-5.3这三束子激光束的光强相等。

可选的，在本发明另一实施例中，如图3所示，一种基于空间异向的金属线栅阵列的分光装置将一束入射激光4分为n束子激光束的分光示意图，一束入射激光4入射到所述分光装置，经过空间异向的金属线栅阵列1的第一个金属线栅区域1.1偏振分光，部分反射得到第一束反射光5.1(第一束子激光束)，所述第一束子激光束5.1的偏振方向与所述第一个金属线栅区域1.1的线栅方向相平行；部分透射得到第一束透射光，第一束透射光的偏振方向与所述第一个金属线栅区域1.1的线栅方向相垂直，第一束透射光经过所述透明基板2到达所述反射层3，被所述反射层3完全反射，再经过所述透明基板2到达空间异向的金属线栅阵列1的第二个金属线栅区域1.2偏振分光，部分透射得到第二束透射光5.2(第二束子激光束)，所述第二束子激光束5.2的偏振方向与所述第二个金属线栅区域1.2的线栅方向相垂直；如此循环下来，光线经过所述第n-1个金属线栅区域，部分透射得到第n-1束透射光(第n-1束子激光束)，所述第n-1束子激光束5.n-1的偏振方向与所述第n-1个金属线栅区域1.n-1的线栅方向相垂直；部分反射得到第n-1束反射光，第n-1束反射光的偏振方向与所述第n-1个金属线栅区域的线栅方向相平行，第n-1束反射光经过所述透明基板2到达所述反射层3，被所述反射层3完全反射，再经过所述透明基板2达到空间异向的金属线栅阵列1的第n个金属线栅区域1.n偏振分光，部分透射得到第n束透射光5.n(第n束子激光束)，所述第n束子激光束5.n的偏振方向与所述第n个金属线栅区域的线栅方向相垂直，最终分光得到了所述n束子激光束5.1-5.n。其中利用空间异向的金属线栅阵列1的第一个金属线栅区域1.1的部分反射得到第一束子激光5.1，利用空间异向的金属线栅阵列1的其他金属线栅区域1.2-1.n的部分透射得到其余的子激光5.2-5.n。

也就是说，所述入射激光4经过所述基于空间异向金属线栅阵列的分光装置，可以实现分光的目的，得到若干束子激光；进一步，所述空间异向的金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向均不相同，通过计算设计为特定的方向，可以使得出射的子激光束的光强相等。

进一步的，该透明基板2可以为玻璃基板。

在本发明实施例中，所述透明基板2的厚度满足相邻两个所述子激光束之间的光程差大于或等于所述入射激光的相干长度，保证出射的子激光束为非相干的子激光束。

总的来说，本发明实施例提供的基于空间异向的金属线栅阵列的分光装置通过对空间异向的金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向和所述透明基板的厚度进行优化设计，可以得到若干束光强相等且非相干的子激光束。

可选的，所述金属线栅阵列1的材料为铝材料或金材料或银材料。

可选的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种设计方法，用于设计上述任一实施例中所述的一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置中各个金属线栅区域的线栅方向，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种设计方法的流程示意图。

所述设计方法包括：

S101：仿真模拟获得所述线栅偏振片对所述入射激光的吸收率最小时的线栅周期参数、占空比参数和高度参数。

S102：依据所述线栅周期参数、占空比参数和高度参数，仿真获得所述线栅偏振片随偏振态变化的透射率和反射率。

S103：基于所述透射率和所述反射率，得到所述线栅偏振片的透射函数和反射函数。

S104：依据所述透射函数和所述反射函数以及所述反射层的反射率，结合子光束光强相等和最后一个区域反射光强最小的条件，计算出所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域对应的线栅方向。

具体的，在本发明实施例中，假定一束入射激光经过所述分光装置后得到n束光强相等的子激光束，已知入射激光的偏振方向平行于y轴，金属线栅区域的透射函数和反射函数分别为：T＝A*sin²α+B，R＝C*cos²α+D，反射层的反射率为100％，其中α表示线栅方向与光的偏振方向之间的夹角，利用出射光光强相等和最后一个区域中无用的反射光光强最小的条件，我们可以得到：

α_n＝90°、

计算可得所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域线栅方向与光的偏振方向的夹角分别为：

依据任一区域线栅方向与固定轴(入射激光偏振方向)的夹角等于该区域线栅方向与光的偏振方向的夹角加上该区域入射光的偏振方向与固定轴的夹角，计算得各个金属线栅区域的线栅方向与固定轴的夹角分别为：

β₁＝α₁,

此时，所述一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置中各个金属线栅区域的线栅方向的设计完成。

进一步的，以n＝3的情况说明该分光装置如何实现分光，对于2≤n＜3或n＞3的情况也有类似的操作方法，在本发明实施例中不再进行赘述。

所述入射激光4的入射角度θ为6.6°，波长为633nm，光斑大小为0.5mm，相干长度为8mm，光的偏振方向平行于y轴，所述透明基板2的厚度为3.3mm，透明基板2采用玻璃基板，玻璃折射率n为1.5，所述反射层的反射率为100％，空间异向的金属线栅阵列中的第一个金属线栅区域1.1的线栅方向与固定轴y轴成59.2度，空间异向的金属线栅阵列中的第二个金属线栅区域1.2的线栅方向与固定轴y轴成12.7度，空间异向的金属线栅阵列中的第三个金属线栅区域1.3的线栅方向与固定轴y轴成102.7度。

在本发明的发明创造过程中发现，这一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置会存在光能损耗，因此为了更好地实现分光，需要对所述分光装置的参数进行设计优化，使得元件的光能吸收率很小。

经过模拟仿真计算分析得到空间异向的金属线栅阵列中的各个金属线栅区域吸收率很小时对应的线栅参数分别为周期100nm、占空比0.4、高度50nm。在金属线栅周期100nm，占空比0.4，线栅高度50nm的参数下进行模拟仿真，对仿真得到的数据进行拟合得到透射函数和反射函数中的各个常数分别为：

A＝0.8681,B＝0.0104,C＝0.7992,D＝0.0581

代入公式：

计算得到空间异向的金属线栅阵列中的各个金属线栅区域1.1-1.3中光的偏振方向与线栅方向的夹角分别为：

α₁＝59.2°,α₂＝43.5°,α₃＝90°

线栅方向与固定轴y轴的夹角分别为：

β₁＝59.2°,β₂＝12.7°,β₃＝102.7°

一束波长为633nm、光强为I₀、偏振方向平行于y轴的激光入射到所述一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置，首先经过空间异向的金属线栅阵列中的第一个金属线栅区域1.1，区域1.1的透射率T＝0.65，反射率R＝0.27，经1.1部分反射得到第一束光强为0.27I₀的子激光束5.1。

剩余能量为0.65I₀的透射光经过所述玻璃基板2到达所述反射层3，被所述反射层3全反射，再经过所述玻璃基板2入射到空间异向的金属线栅阵列中的第二个金属线栅区域1.2，区域1.2的透射率T＝0.42，反射率R＝0.48，经1.2部分透射得到第二束光强为0.42×0.65I₀≈0.27I₀的子激光束5.2。

剩余能量为0.48×0.65I₀≈0.31I₀的反射光经过所述玻璃基板2到达所述反射层3，被所述反射层3全反射，再经过所述玻璃基板2入射到空间异向的金属线栅阵列中的第三个金属线栅区域1.3，区域1.3的透射率T＝0.88,反射率R＝0.058，经1.3部分透射得到第三束光强为0.88×0.31I₀≈0.27I₀的子激光束5.3，至此得到了3束光强相等的子激光束5.1-5.3。

若希望出射的3束子激光束5.1-5.3为非相干光，则可以通过对所述玻璃基板2的厚度进行设计，使得所述出射3束子激光束5.1-5.3之间每相邻两束光之间的光程差大于或等于所述入射激光4的相干长度。

其中，所述出射3束子激光束5.1-5.3之间每相邻两束光之间的光程差为：

所述入射激光4的相干长度为：

L_c＝8mm

即所述玻璃基板的厚度满足以下公式，才可以保证所述出射子激光束5.1-5.3均为非相干光：

通过上述描述可知，所述入射激光4经过所述基于空间异向金属线栅阵列的分光装置可以实现分光的目的，得到若干束子激光；进一步，所述空间异向的金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向均不相同，通过计算设计为特定的方向，可以使得出射的子激光束的光强相等。

进一步的，在本发明实施例中，所述透明基板2的厚度满足相邻两个所述子激光束之间的光程差大于或等于所述入射激光的相干长度，保证出射的子激光束为非相干的子激光束。

总的来说，本发明实施例提供的基于空间异向的金属线栅阵列的分光装置通过对空间异向的金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向和所述透明基板的厚度进行优化设计，可以得到若干束光强相等且非相干的子激光束。

以上对本发明所提供的一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置及设计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置，其特征在于，所述分光装置包括：线栅偏振片阵列；

所述线栅偏振片阵列包括：透明基板，所述透明基板包括相对设置的第一表面和第二表面；

位于所述第二表面上的金属线栅阵列，所述金属线栅阵列中各个区域的线栅方向都不相同；

所述分光装置还包括：位于所述第一表面上的反射层；

其中，一束入射激光从所述金属线栅阵列一侧入射至所述分光装置，经过所述金属线栅阵列和所述反射层后，形成多束光强相等且非相干的子激光束。

2.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述透明基板为玻璃基板。

3.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述金属线栅阵列包括多个金属线栅区域；所述任意一个金属线栅区域包括多个金属线栅单元；

所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域的线栅方向都不相同；

任意一个所述金属线栅区域中所有的金属线栅单元的延伸方向相同。

4.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述透明基板为长方体基板；

以所述长方体基板的长边为x轴，宽边为y轴，高边为z轴，建立三维坐标系；

所述线栅方向为所述金属线栅单元的延伸方向与所述y轴之间夹角所定义的方向。

5.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述金属线栅阵列的材料为铝材料或金材料或银材料。

6.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述透明基板的厚度满足相邻两个所述子激光束之间的光程差大于或等于所述入射激光的相干长度。

7.一种设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-6任一项所述的一种基于空间异向金属线栅阵列的分光装置中各个金属线栅区域的线栅方向，所述设计方法包括：

仿真模拟获得所述线栅偏振片对所述入射激光的吸收率最小时的线栅周期参数、占空比参数和高度参数；

依据所述线栅周期参数、占空比参数和高度参数，仿真获得所述线栅偏振片随偏振态变化的透射率和反射率；

基于所述透射率和所述反射率，得到所述线栅偏振片的透射函数和反射函数；

依据所述透射函数和所述反射函数以及所述反射层的反射率，结合子光束光强相等和最后一个区域反射光强最小的条件，计算出所述金属线栅阵列中各个金属线栅区域对应的线栅方向。

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