CN115248468B - 一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅，包括带周期性直角三角形沟槽的金属基底、直角三角形沟槽的填充介质和设置于填充介质上表面的子光栅；直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式，本发明的折射反射混合型光栅可以在衍射角大于75度的条件下同时实现高于90％的衍射效率和高于2毫弧度/纳米的角色散本领。

Description

一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅
技术领域
本发明涉及色散器件的技术领域，具体涉及一种基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅。
背景技术
色散元件是常用光谱仪器的核心元件。色散元件的功能是将同一束入射光中不同波长的光波在空间中分开。色散元件的色散本领越大，它就能让同一束入射光中固定波长差的两个光波在空间分开的角度越大。光谱仪器的光谱分辨率与色散元件的色散本领成正比。因此，制造高光谱分辨率的光谱仪器需要使用具有高色散本领的色散元件。
光栅是一种常用色散元件。与棱镜的色散本领受到自然界材料的折射率限制不同，光栅的色散本领可以通过合理设计光栅的周期、衍射角和衍射级的级数来提高。因此，光栅更能满足高分辨率光谱仪对色散元件的高色散本领的要求。光栅的色散本领正比于光栅的衍射级的级数和光栅的衍射角，并反比于光栅的周期。根据光栅的色散本领对这些参数的依赖关系，减小光栅的周期或增大光栅的衍射角是提高光栅色散本领的常用方法。对于光栅的某一个非零级的衍射光，同时减小光栅周期和增大光栅的衍射角是增大光栅色散本领的最有效方法。但是对于绝大多数光栅而言，光栅的某一个非零级衍射光的衍射效率会随衍射角的增大而降低。这会使以单个高色散光栅作为色散元件的高分辨率光谱仪只能分辨出高强度入射光的光谱信号，这极大限制了这类光谱仪的应用范围。虽然大体积光谱仪可以通过使用两个或多个低色散本领的光栅在保证一定能量利用率的条件下来提高它的光谱分辨率，但增加光栅数量会进一步增大光谱仪的体积和制造成本。此外，由于体积的限制，通过增加光栅数量来增大光谱仪的光谱分辨率的方法并不适用于微型化的光谱仪。因此，具有高色散本领的光栅的低衍射效率已经成为开发高分辨率光谱仪的障碍。
发明内容
本发明提供一种基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅，以同时提高光栅的色散本领和衍射效率。
本发明的基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅包括金属基底、填充介质和子光栅，所述的金属基底上周期性的开设有直角三角形沟槽，且其中一条直角边所在的平面位于金属基底的上表面，所述直角三角形沟槽内设有所述填充介质，所述填充介质的上表面周期性的设有所述子光栅，所述直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式。
作为优选，上述定量关系式可表示为：
Figure BDA0003809839980000021
其中P表示直角三角形沟槽的周期，m表示衍射光的衍射级数，λc表示光栅工作波段的中心波长，n1表示填充介质的折射率，θ1表示直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角。
作为优选，所述直角三角形沟槽的深度满足：h＝Ptan(θ1)，其中h表示直角三角形沟槽的深度。
作为优选，所述子光栅的周期和厚度均小于λc/2。
作为优选，所述金属基底的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。
作为优选，所述填充介质的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。
作为优选，所述子光栅的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。
本发明的折射反射混合型光栅的优化工作条件是：入射光以零度入射角照射光栅平面。其中，直角三角形沟槽内的反射光线与光栅法线的夹角θ2需满足一个由反射定律得出的关系式：θ2＝2θ1,其中θ1是直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角；光栅的第m级衍射光的衍射角θd需满足一个由光波在直角三角形沟槽的填充介质与空气界面的折射定律得出的关系式：sin(θd)＝n1sin(θ2)＝n1sin(2θ1)，其中n1是填充介质的折射率；光栅的直角三角形沟槽的周期P需满足一个由光栅衍射方程得出的关系式：Psin(θd)＝|m|λc，其中λc是光栅工作波段的中心波长。将上述反射定律关系式和折射定律关系式代入光栅衍射方程关系式，得出直角三角形沟槽的周期关系式：
Figure BDA0003809839980000031
本发明的折射反射混合型光栅可以在大衍射角的条件下同时实现高衍射效率和高色散本领，其包括带周期性直角三角形沟槽的金属基底、直角三角形沟槽的填充介质和设置于填充介质上表面的子光栅；直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式，本发明的折射反射混合型光栅可以在衍射角大于75度的条件下同时实现高于90％的衍射效率和高于2毫弧度/纳米的角色散本领。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的纵向剖面视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
如图1-图2所示，本发明的一种基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅，包括金属基底1、填充介质2和子光栅3，所述的金属基底1上周期性的开设有直角三角形沟槽，且其中一条直角边所在的平面位于金属基底1的上表面，所述直角三角形沟槽内设有所述填充介质2，所述填充介质2的上表面周期性的设有所述子光栅3，所述直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式。
该定量关系式可表示为：
Figure BDA0003809839980000041
其中P表示直角三角形沟槽的周期，m表示衍射光的衍射级数，λc表示光栅工作波段的中心波长，n1表示填充介质的折射率，θ1表示直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角，所述直角三角形沟槽的深度满足：h＝Ptan(θ1)，其中h表示直角三角形沟槽的深度，所述子光栅的周期和厚度均小于λc/2，所述金属基底的材料包括银、金、铝或铜的任意一种，所述填充介质的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种，所述子光栅的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。
实施例1
金属基底1的材料为银，填充介质2的材料为氟化钙，填充介质上表面的子光栅3的材料为氟化钙。光栅工作波段的中心波长设为λc＝532nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.2°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝550nm，直角三角形沟槽的深度为h＝213nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝137nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝40nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝100nm。当波长为532nm的TE平面光波垂直入射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达75.4°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达91％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达7.2mrad/nm。
实施例2
金属基底1的材料为银，填充介质2的材料为二氧化硅，填充介质上表面的子光栅3的材料为二氧化硅。光栅工作波段的中心波长设为λc＝633nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝20.9°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝652nm，直角三角形沟槽的深度为h＝248nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝163nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝45nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝125nm。当波长为633nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达76.0°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达92％,光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达6.3mrad/nm。
实施例3
金属基底1的材料为银，填充介质2的材料为二氧化硅，填充介质上表面的子光栅3的材料为二氧化硅。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.0°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1604nm，直角三角形沟槽的深度为h＝616nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝401nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝180nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝270nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达75.1°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达2.4mrad/nm。
实施例4
金属基底1的材料为银，填充介质2的材料为二氧化硅，填充介质上表面的子光栅3的材料为二氧化硅。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.5°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1574nm，直角三角形沟槽的深度为h＝620nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝394nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝103nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝420nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达80.0°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达3.7mrad/nm。
实施例5
金属基底1的材料为银，填充介质2的材料为三氧化二铝，填充介质上表面的子光栅3的材料为三氧化二铝。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝16.8°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1604nm，直角三角形沟槽的深度为h＝484nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝401nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝60nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝370nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达75.1°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达91％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达2.4mrad/nm。
实施例6
金属基底1的材料为金，填充介质2的材料为氟化钙，填充介质上表面的子光栅3的材料为氟化钙。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.7°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1582nm，直角三角形沟槽的深度为h＝629nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝395nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝110nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝420nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达78.5°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达3.2mrad/nm。
实施例7
金属基底1的材料为铜，填充介质2的材料为氟化钙，填充介质上表面的子光栅3的材料为氟化钙。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.4°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1600nm，直角三角形沟槽的深度为h＝627nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝400nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝115nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝410nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达75.7°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达93％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达2.5mrad/nm。
实施例8
金属基底1的材料为铝，填充介质2的材料为氟化钙，填充介质上表面的子光栅3的材料为氟化钙。光栅工作波段的中心波长设为λc＝1550nm，光栅的+1级衍射光选为工作光波，直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角设为θ1＝21.5°。根据发明内容中的参数设计，直角三角形沟槽的周期为P＝1594nm，直角三角形沟槽的深度为h＝628nm。优选的，填充介质上表面的子光栅的周期设为w2＝398nm，填充介质上表面的子光栅的栅线宽度设为w1＝113nm，填充介质上表面的子光栅的厚度设为t＝425nm。当波长为1550nm的TE平面光波以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射角可高达76.5°，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达93％，光栅对应于+1级衍射光的角色散本领可高达2.7mrad/nm。
综上所述，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅，其特征在于：包括金属基底、填充介质和子光栅，所述的金属基底上周期性的开设有直角三角形沟槽，且其中一条直角边所在的平面位于金属基底的上表面，所述直角三角形沟槽内设有 所述填充介质，所述填充介质的上表面周期性的设有所述子光栅，所述直角三 角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射 率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式；
所述直角三角形沟槽的周期满足：
Figure 254067DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 273975DEST_PATH_IMAGE002
表示直角三角形沟槽的周期，
Figure 791413DEST_PATH_IMAGE003
表示衍射光的衍射级数，
Figure 845957DEST_PATH_IMAGE004
表示光栅工作波段的中心波长，
Figure 541380DEST_PATH_IMAGE005
表示填充介质的折射率，
Figure 314164DEST_PATH_IMAGE006
表示直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角；
所述直角三角形沟槽的深度满足：
Figure 854867DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 763917DEST_PATH_IMAGE008
表示直角三角形沟槽的深度；
所述子光栅的周期和厚度均小于
Figure 380974DEST_PATH_IMAGE009
。
2.根据权利要求1所述的一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅，其特征在于：所述金属基底的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅，其特征在于：所述填充介质的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅其特征在于：所述子光栅的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。
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