[發(fā)明專利]一種具有分光和聚焦能力的平面光柵

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• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111596390A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發(fā)明（設計）人: 朱圣科;張淵;胡治朋;黃廣飛;陶萍
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18
• 代理公司: 常州佰業(yè)騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 滕詣迪

本發(fā)明公開了一種具有分光和聚焦能力的平面光柵，設有平行光垂直入射結構，不同波長的光會聚焦在不同的位置，包含多個子結構，每個子結構包括一個微結構以及支撐這個微結構的基底，所有的子結構的基底共同構成整體結構的基底，所有子結構共同構成整體光柵結構；所述光柵陣列中的每一個子結構中心處對應的相位可以由設計波長、設計焦距、焦點偏移角度以及子結構中心對應的位置確定，每一個子結構中心處對應的相位決定了這個子結構的尺寸參數(shù)，所述的光柵可以使不同波長的入射光通過光柵后，匯聚在不同的焦點上，從而實現(xiàn)分光和聚焦的功能。

技術領域

本發(fā)明涉及的是一種同時具有分光和聚焦能力的平面光柵，作為分光器件，可被用于單色儀和光譜儀上，屬于幾何光學和微納光學領域。

背景技術

傳統(tǒng)的光柵是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片，只具有色散分光的功能，在光譜儀中使用時需要額外添加聚焦透鏡，不利于光路的簡化。凹面光柵是在高反射金屬凹面上刻劃一系列的平行刻線構成的反射光柵，具有分光和聚焦能力，但是象散問題嚴重、衍射效率不高、機械刻劃困難，因此沒有得到廣泛的應用。

超表面是一種由一系列亞波長結構組成的超薄二維表面，可以實現(xiàn)對入射光束的振幅、相位、偏振態(tài)等方面的有效調控。衍射光柵通過有規(guī)律的結構使入射光的相位受到周期性空間調制，當復色光通過光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜，因此，光柵也可以看作為一種超表面元件。由于超表面體積小、集成度高的特點，利用其設計的光學元件受到了廣泛的關注。

發(fā)明內容

1、本發(fā)明的目的

本發(fā)明的目的是提供一種同時具有分光和聚焦能力的平面光柵，以實現(xiàn)光路的簡化。

2、本發(fā)明所采用的技術方案

本發(fā)明公開了一種具有分光和聚焦能力的平面光柵，設有平行光垂直入射結構，不同波長的光會聚焦在不同的位置；包含多個子結構，每個子結構包括一個微結構以及支撐這個微結構的基底，子結構的寬度為T，所述的微結構是一個長方體，微結構的寬度為L，高度為H，所有的子結構的基底共同構成整體結構的基底，所有子結構共同構成整體光柵結構；

通過調節(jié)每個子結構的尺寸參數(shù)(如占空比、寬度T)，可以使出射光的相位產生不同的變化；

根據(jù)聚焦需求通過以下公式決定光柵表面的相位分布，從而確定每一個子結構的尺寸參數(shù)；

其中，以光柵表面以中心為原點，φ_(x)是坐標點(x)處的相位，λ是設計的入射光波長，f是焦點到光柵中心的距離，α是焦點偏離軸線的角度，m為任意整數(shù)，通過設置光柵表面每一個不同位置的相位φ_(x)，從而確定每個長方體微結構單元參數(shù)；通過改變每一個子結構的大小參數(shù)從而調整整個光柵的相位分布，從而實現(xiàn)光柵的聚焦功能。

更進一步，子結構寬度T范圍為300nm至1000nm，可以通過調節(jié)子結構的寬度或者占空比能夠獲得不同的相位。

為了提高微結構的相位調制能力及透射率，所述微結構的長方體組成材料為硅或二氧化鈦。

更進一步，所述微結構的長方體寬度L范圍為30nm至800nm，高度H為1000-5000nm，子結構的占空比定義為L/T，也可以通過調節(jié)子結構占空比獲得不同的相位。

更進一步，光柵適用的光譜范圍為紅外波段以及可見光波段。

為了提高光柵的透射率，所述基底組成材料為二氧化硅。

更進一步，微結構高度H＝1500nm，子結構的占空比在0.1到0.7之間變化時，實現(xiàn)2π的相位覆蓋。