[發明專利]一種基于超表面光柵的光整流元件及設計方法

有效

• 申請號: 202110581961.6
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113311526B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 王澤靜;李仲陽;鄭國興;李子樂;代塵杰;李哲;萬帥;萬成偉;劉陽
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G02B27/00;G02B27/10
• 代理公司: 武漢智權專利代理事務所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 張凱

本申請涉及一種基于超表面光柵的光整流元件的設計方法，其包括步驟：選定目標工作波段以及目標入射角和出射角以確定超表面光柵的初始結構參數；對所述初始結構參數進行二值編碼以獲得對應的初始二值參數；基于多目標優化算法對所述初始二值參數進行優化以獲得初步優化結構參數；根據制造工藝需求對所述初步優化結構參數進行邊界優化以獲得最優結構參數。實現了兩束相同偏振和波長的平面波從不同角度入射到元件上，使兩束平面波可以耦合為一束平面波出射以實現更好的光整流。

技術領域

本發明涉及微納光學及光學衍射領域，特別涉及一種基于超表面光柵的光整流元件及設計方法。

背景技術

在傳統光學元件中，將兩束自由空間的光耦合為一束往往通過引入波導和光纖耦合器或使用半透半反鏡。前者的插入和耦合都有相當的損耗，同時其出射光的偏振，發散角等性能都會有較大的變化，口徑也完全受到了限制；后者利用半透半反鏡并不會改變出射光的性能，對入射光也幾乎沒有要求，但是不可避免的會產生兩束能量等級相同的合并光波，某種程度上說并不算真正的實現將兩束光合并為一束的光整流的功能。

隨著微納光學的發展，基于微納結構的超表面表現出了許多傳統光學器件所不具備的功能，但主流的基于設計相位梯度來實現的光束偏折也僅能使不同偏振或波長的平面波耦合為一束。相關技術在仿真中對從不同角度向同一方向入射的相同波長且同一偏振的光(兩束區別僅為傳播方向不同的平面波)耦合成一束實現光整流，但基于該技術所需設計元件的最小間隔為10nm，加工難度極大，實現工業化量產的可行度較低。

發明內容

本發明實施例提供一種基于超表面光柵的光整流元件及設計方法，實現兩束相同偏振和波長的平面波從不同角度入射到元件上，使兩束平面波可以耦合為一束平面波出射，同時實現更好的光整流。

一方面，提供了一種基于超表面光柵的光整流元件的設計方法，其特征在于，其包括：選定目標工作波段以及目標入射角和出射角以確定超表面光柵的初始結構參數；對所述初始結構參數進行二值編碼以獲得對應的初始二值參數；基于多目標優化算法對所述初始二值參數進行優化以獲得初步優化結構參數；根據制造工藝需求對所述初步優化結構參數進行邊界優化以獲得最優結構參數。

在一些實施例中，基于多目標優化算法對所述初始二值參數進行優化以獲得初步優化結構參數，包括步驟：

以初始二值參數作為當前二值參數進行光學建模并依據評價函數計算所述當前二值參數對應的光整流評價值；

判斷當前計算所得的光整流評價值是否滿足優化終止條件，若否，則優化當前二值參數以計算新的光整流評價值；

若當前計算所得的光整流評價值滿足優化終止條件則以滿足所述優化終止條件的光整流評價值為初步優化評價值，并以所述初步優化評價值對應的二值參數還原計算初步優化結構參數。

在一些實施例中，以初始二值參數作為當前二值參數進行光學建模并依據評價函數計算所述當前二值參數對應的光整流評價值，包括步驟：

以所述當前二值參數建立光學模型并基于所述光學模型計算所述目標工作波段的平面波在所述目標入射角下的角譜和反射率；

將所述角譜和反射率代入評價函數計算所述初始二值參數對應的光整流評價值。

在一些實施例中，所述判斷當前計算所得的光整流評價值是否滿足優化終止條件，包括步驟：

基于非支配排序算法對當前計算所得的光整流評價值進行排序和選擇；

判斷當前排序和選擇的結果是否滿足pareto前沿N代未變且N取大于0的整數，若是則判斷為滿足優化終止條件，若否則判斷為不滿足優化終止條件。

在一些實施例中，所述優化當前二值參數以計算新的光整流評價值，包括步驟：

采用多目標優化算法對所述當前二值參數進行優化以獲得新的二值參數；