[發明專利]一種基于微納結構陣列的透射式平面分光器

在審

• 申請號: 201810242626.1
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108445562A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 黎永前;楊星宇;楊林;陳悅悅;余洋;李曉瑩
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西北工業大學深圳研究院
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B27/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明公開了一種基于微納結構陣列的透射式平面分光器，屬于光學器件技術領域。該分光器為硅?二氧化硅雙層結構，所述硅矩形塊陣列，為由若干個n×1周期微納陣列結構分別在x和y向重復形成的大陣列；所述n×1周期微納陣列結構，包括n個呈n×1排布的硅矩形塊，矩形塊的周期尺寸A固定，矩形塊寬度W不變，長度L依次變化，在x方向上構成數個2π相位梯度單元。本發明提出的一種基于微納結構陣列的透射式平面分光器在一個周期內設置數個相位梯度，通過對每個陣列單元內硅矩形塊的尺寸控制，可使微納結構陣列具備不同的功能，如1:1透射分光、光強1：N透射分光、透射光出射角度偏折；器件厚度尺寸在光波長數量級，可通過改變結構尺寸以實現不同波段光的分光需求。

技術領域

本發明涉及光學器件技術領域，尤其涉及一種基于微納結構陣列的透射式平面分光器

背景技術

微納結構光學技術是研究光與納米結構之間相互作用的學科。當納米結構尺寸小于光波長的情況下，物質表現出許多自然材料不具有的新穎光學特性。傳統幾何光學用相同電介質系數(或者折射率系數)材料的幾何尺寸不同，造成光路方向的相位差，以此實現分光、聚光等功能；而微納結構光學提供了不同的思路，宏觀上的幾何尺寸相同，而沿著垂直于光路方向由微納結構引入電介質系數梯度(或者折射率系數梯度)，由此造成光路方向的相位差。本發明將微納結構與光的幅度、相位、偏振操控問題相結合，提出了一種基于微納結構陣列透射進行分光的方法。

傳統的分光原理主要有2種：其一是利用光的折射、反射原理進行分光，如棱鏡分光，可利用透射光、反射光的分離來分光，也有光學薄膜通過控制膜厚度利用膜的上界面反射光和下界面反射光的相互干涉，實現光增透、增反等功能；另一種分光原理為光柵分光，利用光的衍射現象實現分光。在傳統分光原理中，光學器件材料的光折射率保持常值，單層光學薄膜效率較低需添加多層薄膜以滿足分光需求；光柵分光可依次分離出無窮多級衍射光，但由于實際中只有部分衍射光工作，存在著較高的能量損耗。傳統的透射分光器，無法精確控制透射光角度、同時因為采用尺寸厚度改變相位差的方法，使得光學器件的幾何尺寸控制非常嚴格，且光學器件體積大，機械加工性不好。本發明與傳統分光器相比，具有光強1：N分光、透射光角度偏折功能，且出射角可控，器件厚度尺寸在光波長數量級，同時可通過改變結構尺寸以實現不同波段光的分光需求。

發明內容

本發明提出了一種利用微納結構陣列進行透射分光的全新分光方式

根據Huygens理論，微納結構陣列中的粒子單元在入射光作用下成為發射子波的波源。設計粒子單元的結構尺寸控制粒子單元中的電磁諧振，同時調制透射相位，可實現對傳輸波面的控制，進而影響透射光。Huygens表面電和磁的諧振重合，使其具有高的透射率，并且具有2π范圍的透射光相位改變，通過精確控制微納結構陣列中各個硅矩形塊的長度尺寸，可實現對透射光角度和光強的操控。基于上述原理，合理設置微納結構陣列的相位梯度，則可使其具備不同的功能：在一個周期內設置數值相同的正負兩個相位梯度，微納結構陣列可實現入射光的1:1分光；在一個周期內設置數個的相位梯度，則可實現入射光強的1：N分光；若只設置一個相位梯度，則只有一束透射光出射，此時微納結構陣列具備偏折透射光線出射角的功能。

設計思想來源于廣義Snell折射定律，當沿界面的相位變化率恒定，即dφ/dx為定值時有：

光疏介質射入光密介質的情況下，即不考慮全反射時，可得到折射角θ_t與入射角θ_i、入射光波長λ₀、兩介質折射率n_i、n_t以及相位梯度dφ/dx的關系。可見，對于給定的入射光波長和入射角，在非連續界面引進一個合適的相位梯度dφ/dx，折射光線可以有任意的方向，光強也隨之改變。因此，本發明提出通過調整結構的相位梯度dφ/dx來實現對透射光操控的方法。

基于上述原理，本發明采用如下技術方案：