[發明專利]一種平面結構閃耀光柵

有效

• 申請號: 201010169432.7
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN102236118A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: 曹揚;李宏強;魏澤勇;武超;樊元成;余興;韓縉;張冶文;陳鴻
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;B32B15/04
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明涉及一種閃耀光柵，尤其是可用于光柵光譜儀、精密測量、激光整形等領域的平面結構閃耀光柵。

背景技術

衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件，但是在普通的衍射光柵中，沒有色散特性的零級衍射光占據了很大一部分能量，而其他級次尤其是高級次的衍射光強度較弱。為了克服這個問題，利用刻槽的特定形狀形成的反射光柵可以將衍射光集中在某一特定級次的光譜上，這種光柵稱為閃耀光柵。通常在光柵光譜儀中多數采用閃耀光柵作為分光器件。閃耀光柵的刻槽呈鋸齒型，刻槽面與光柵面之間有一傾角ε，稱為閃耀角。當某一級衍射光方向與槽面的反射方向一致時，可以將衍射光強極大值從無色散特性的零級光調整到相應的衍射級次上。對于波長為λ_b的一級衍射光，可以通過光柵方程d[sinα-sin(α-2ε)]＝λ_b來設計閃耀波長和閃耀方向，其中α是入射角，β＝α-2ε是一級衍射光方向，即閃耀方向，λ_b是閃耀波長，ε是閃耀角。在閃耀峰值波長上，一級衍射效率可以達到70％～80％。但由于采用立體結構，刻槽面與光柵面要求特定的傾角，加工精度要求很高，工藝繁復。由于制作時的誤差，可能引起某方向上某些不希望出現的波長干涉相長而產生極大值，使光譜分析復雜化。這大大限制了其應用范圍。

發明內容

本發明的目的是提供一種平面結構閃耀光柵，與現有的鋸齒形閃耀光柵相比，本發明為平面結構，制作容易，且其能完全抑制零階反射，紅外、太赫茲一級衍射效率高達100％，可見光波段金屬有光吸收，但也達到90％以上。

為達到以上目的，本發明所采用的解決方案是：

本發明需包含上表面金屬結構層、介質層和金屬底板層，這三層從上至下依次相疊。

金屬底板層作為整個結構的支撐底板，可根據力學性能等的需要選取金屬厚度、種類，金屬底板上表面需經過拋光處理，其表面粗糙度不應大于工作波長的十分之一，是一個理想反射面。介質層為一層均勻的電介質，厚度要求是光學亞波長厚度，通常比光波波長二分之一小。介質層可由金屬底板層的上表面鍍一層均勻介質膜形成，電介質的介電常數無特殊要求，可以是低介電常數的氧化硅，也可以是氧化鋁，硅等材料。介質層上表面可通過磁控濺射再鍍一層金屬薄膜，上表面金屬結構層可通過在該層金屬薄膜光刻、電子束刻蝕等方法制作。

上表面金屬結構層由周期排列的金屬單元結構組成，可以是一維形式的金屬帶排成光柵結構或者復式光柵結構，也可以是金屬方片，金屬圓片或者金屬同軸環等結構排列而成的二維陣列。上表面金屬結構層的每一個金屬結構單元與其下方的介質和金屬底板構成了一個光學微腔，與入射光形成磁諧振。整體結構可以表述為一維或者二維排列的復式磁原子鏈或者磁原子表面。諧振單元通過周期結構的布拉格散射機制形成表面諧振態，此表面諧振態與入射光強耦合，吸收的入射光能量通過磁原子鏈或者磁原子表面重新分配，通過-1階衍射通道和0階反射通道重新輻射到自由空間。當入射光的水平波矢等于周期結構的布里淵區邊界時，這種耦合效果達到最強，所有的入射光能量將以-1階的形式反射到自由空間，不考慮金屬的吸收情況下，衍射效率達到100％。為了產生足夠強的布拉格散射，周期結構的周期數需大于10，周期長度一般等于工作波長的0.2倍到2倍，具體大小還依賴于結構單元的單元形式。工作波長可由上表面金屬結構層的周期來調節，周期越長，工作波長越長。閃耀角可由上表面復式周期結構決定，具體可以調節兩種金屬單元的尺寸比例，或者同種金屬單元的間距比例來控制。

由于采用了上述方案，本發明具有以下特點：

1、由于本發明利用一種平面超晶格周期結構來調控入射光的衍射，上表面金屬結構層，介質層和下底板金屬層組成的磁諧振表面態在布里淵區邊界能與入射光發生強耦合，能量通過布拉格散射機制全部轉化為-1階衍射光，衍射效率高，紅外、太赫茲波段能達到100％，可見光波段金屬有強吸收，衍射效率也能達到90％以上。

2、本發明的磁諧振表面態通過結構參數控制，因此工作波長可由周期長度控制。

3、本發明通過其磁諧振表面態與入射光發生耦合，在布里淵區邊界耦合效率達到最大，全部能量以-1階衍射波形式反射到自由空間，入射角等于反射角，閃耀角可以通過周期單元的兩種或多種結構尺寸的對比度控制，對比度越高，閃耀角越大。

4、本發明所需的三層結構均為平面結構，加工容易，加工精度高，成本低廉。

附圖說明

圖1是現有閃耀光柵的結構示意圖。

圖2A是本發明平面閃耀光柵的第一實施例結構示意圖。