[發(fā)明專利]平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210086716.9
• 申請(qǐng)日: 2012-03-28
• 公開（公告）號(hào): CN103364955A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張巖;胡丹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 首都師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/09
• 分類號(hào): G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 北京億騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 11309
• 代理人: 陳霽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種平面光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的光學(xué)器件是依靠光傳播過程中逐步積累的相移來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的整形。而通過在一定波長范圍內(nèi)引入相位突變的方法可以獲得對(duì)光束進(jìn)行整形的新的自由度。相位的突變可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)兩種不同介質(zhì)的分界面來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光束在具有空間變化相位響應(yīng)和亞波長間隔的光學(xué)諧振陣列的分界面?zhèn)鞑r(shí)，可以研究光傳播過程中的這種相位不連續(xù)性。通過設(shè)計(jì)合適的光學(xué)諧振器模型，可以獲得光束沿分界面等振幅的條件并得到一個(gè)常數(shù)相位梯度。光學(xué)諧振器中，出射光與入射光之間的相移跨越共振適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變化。通過空間調(diào)整微陣列中諧振器的幾何形狀從而調(diào)制它的頻率響應(yīng)。通過任意方式設(shè)計(jì)沿分界面的相位不連續(xù)性可以重置反射光束和折射光束的波前形狀。所用諧振器可選擇電磁腔、納米顆粒簇和等離子天線。其中等離子天線具有很大的光學(xué)可調(diào)諧性，并且易于制作成納米厚度的平板天線，棒狀天線的特性使其成為良好的電導(dǎo)體。

基于此機(jī)制，在硅基底上制作由金屬天線組成的具有沿界面的線性相位變化的光學(xué)微陣列，由此可觀察到反常反射和反常折射現(xiàn)象，這符合由費(fèi)爾馬原理推導(dǎo)得來的產(chǎn)生法則?？梢?，利用相位的不連續(xù)性為光束整形提供了極大的靈活性，可以對(duì)光束進(jìn)行預(yù)期的整形效果。

目前，利用相位不連續(xù)性對(duì)光束整形的應(yīng)用還很局限，尤其在設(shè)計(jì)光學(xué)元件方面，有待于進(jìn)一步地研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是利用相位的不連續(xù)性設(shè)計(jì)出特定結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的光束整形效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種平面光學(xué)元件，用于全波段的光束整形。該平面光學(xué)元件包括：

基底；

金屬膜，設(shè)置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線微陣列結(jié)構(gòu)，所述二維天線微陣列包含多個(gè)天線陣元。

優(yōu)選地，所述平面光學(xué)元件用于實(shí)現(xiàn)球透鏡、球面鏡、柱透鏡或柱面鏡的光束整形。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述天線陣元為狹縫，相鄰的所述狹縫之間為所述良導(dǎo)體；或者所述天線陣元由所述良導(dǎo)體制成，相鄰的所述天線陣元之間為空氣。

優(yōu)選地，所述天線陣元為“V”字型結(jié)構(gòu)或具有開口的矩形結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種平面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。該方法包括：設(shè)計(jì)一組具有確定離散相位的結(jié)構(gòu)；以所述一組具有確定離散相位的結(jié)構(gòu)為陣元，設(shè)計(jì)二維天線微陣列；由基底和具有所述二維天線微陣列結(jié)構(gòu)的金屬膜組成所述平面光學(xué)元件。

優(yōu)選地，所述設(shè)計(jì)一組具有確定離散相位的結(jié)構(gòu)的步驟具體為，根據(jù)入射光的波長、偏振方向和所述天線的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)所述天線的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)輻射場(chǎng)的特性挑選出適合的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述一組具有確定離散相位的結(jié)構(gòu)激發(fā)的輻射場(chǎng)具有與入射光的偏振方向垂直的偏振態(tài)，具有等振幅和等相位間隔。

優(yōu)選地，以所述一組具有確定離散相位的結(jié)構(gòu)為陣元，設(shè)計(jì)二維天線微陣列的步驟具體為，預(yù)設(shè)所述平面光學(xué)元件的類型和相關(guān)參數(shù)，預(yù)置所述二維天線微陣列的形狀和大小，設(shè)計(jì)所述二維天線微陣列的排布。

本發(fā)明實(shí)施例的方法通過調(diào)制天線陣元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而調(diào)制由特定波長和偏振態(tài)的光束入射到該平面衍射光學(xué)元件上時(shí)所激發(fā)的具有垂直偏振態(tài)的輻射場(chǎng)的振幅和相位，從而達(dá)到對(duì)光束進(jìn)行預(yù)期的整形的目的，是一種很可靠的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的平面光學(xué)元件，與預(yù)期參數(shù)相差甚微，可以實(shí)現(xiàn)理想的光束整形結(jié)果，填補(bǔ)了現(xiàn)有光學(xué)元件所不能實(shí)現(xiàn)的光束整形效果的空缺。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的平面光學(xué)元件的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的“V”字型天線陣元激發(fā)電場(chǎng)的示意圖；

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的具有開口的矩形結(jié)構(gòu)的天線陣元激發(fā)電場(chǎng)的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的平面光學(xué)元件激發(fā)的垂直偏振的透射場(chǎng)的瞬態(tài)振幅譜。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)出了具有特定結(jié)構(gòu)的天線微陣列的平面衍射光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了理想的光束整形效果。