本發(fā)明屬于微光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種360°全視場角衍射光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

衍射光學(xué)元件(Diffractive Optical Elements,DOEs)是一類基于衍射原理工作的光學(xué)元件。傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件通過在透明的介質(zhì)材料上刻蝕不同深度的浮雕結(jié)構(gòu)來控制入射光的位相，最終用于制作基于位相調(diào)控的光器件。入射光經(jīng)過衍射光學(xué)元件后能夠擴(kuò)展的衍射角度是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。但一般來說，衍射光只能是透射或者反射，也就是兩選一的工作模式，因此限制了衍射光實(shí)際可到達(dá)的范圍，在光傳感、激光雷達(dá)、體感、光顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用將十分受限。

基于幾何相位調(diào)制的超穎表面材料是新一代衍射光學(xué)元件的熱門功能材料，其具有精密的、連續(xù)的位相調(diào)節(jié)功能，再結(jié)合亞波長結(jié)構(gòu)所特有的、一些奇異的物理效應(yīng)(比如電磁共振)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)一種360°全視場角的新概念衍射光學(xué)元件，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種360°全視場角衍射光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，其可實(shí)現(xiàn)360°衍射角，使得調(diào)制后的光場前向和后向同步傳輸。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種360°全視場角衍射光學(xué)元件，包括由電介質(zhì)材料制成的基底層和若干納米磚，其中，各納米磚的大小相同，且其長、寬均為亞波長尺度；納米磚以不同轉(zhuǎn)角設(shè)于基底層上，形成單元結(jié)構(gòu)。

上述基底層和納米磚的電介質(zhì)材料不同。

上述各納米磚均為長方體，且其長、寬、高均為亞波長尺度。

一種360°全視場角衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1，確定響應(yīng)主波長λ，進(jìn)而確定在此波長范圍透明的納米磚電介質(zhì)材料；

步驟2，采用電磁仿真軟件，以左旋或右旋圓偏光垂直照射納米磚，確定透射和反射的交叉偏振轉(zhuǎn)化效率高且相等、同向偏振轉(zhuǎn)化效率最低時(shí)的單元結(jié)構(gòu)的邊長C、納米磚的寬度W、高度H和長度L；

步驟3，確定衍射光學(xué)元件生成的圖案的像素?cái)?shù)m和n，其中，m、n分別為長、寬方向上對λ產(chǎn)生圖案的像素?cái)?shù)；根據(jù)公式d_x＝mλ/θ_x和d_y＝nλ/θ_y計(jì)算主波長為λ時(shí)納米磚的排列周期尺寸，其中，θ_x、θ_y為長、寬方向上衍射光學(xué)元件的投影角度；

步驟4，依據(jù)公式M＝d_x/C，N＝d_y/C得到單周期內(nèi)單元結(jié)構(gòu)長、寬方向?qū)Ζ隧憫?yīng)的單元數(shù)M和N；

步驟5，采用傅里葉迭代算法，得到對λ響應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)相位分布Φ，從而得到這些單元結(jié)構(gòu)內(nèi)納米磚的朝向角；

步驟6，沿單元結(jié)構(gòu)長度和寬度方向上將納米磚依次排列，得到所需的衍射光學(xué)元件。

上述步驟1中，確定響應(yīng)主波長λ＝830nm，基底層的電介質(zhì)材料選用熔融石英玻璃，納米磚的電介質(zhì)材料選用非晶硅。

上述步驟2中，采用的電磁仿真軟件為Comsol。

上述步驟3中，衍射光學(xué)元件生成的圖案旋轉(zhuǎn)對稱，即圖案中坐標(biāo)分別為(x,y)和(-x,-y)的光點(diǎn)的強(qiáng)度相同。

上述步驟5中，單元結(jié)構(gòu)內(nèi)納米磚的朝向角φ(i,j)與該單元結(jié)構(gòu)相位分布Φ的關(guān)系為：φ＝Φ/2，其中，i，j表示衍射光學(xué)元件x和y方向上第(i,j)個(gè)納米磚。

采用上述方案后，本發(fā)明基于兩個(gè)物理機(jī)理：一個(gè)是幾何相位；一個(gè)是電磁共振。幾何相位指的是納米磚長寬方向大小不一致形成的各向異性，利用這種各向異性可以實(shí)現(xiàn)對入射圓偏振光的任意位相調(diào)制，具體原理可參閱參考文獻(xiàn)：Guoxing Zheng,Holger Mühlenbernd,Mitchell Kenney,Guixin Li,Thomas Zentgraf and Shuang Zhang.Metasurface holograms reaching 80％efficiency.Nature Nanotechnology,10(5),308-312,2015。電磁共振指的是當(dāng)材料結(jié)構(gòu)小于波長量級時(shí)，其類似于米氏散射體，如果入射光波波長與米氏散射體的共振波長匹配，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向散射效應(yīng)，具體原理可參閱參考文獻(xiàn)：Zhao,Qian,et al."Mie resonance-based dielectric metamaterials."Materials Today 12.12(2009):60-69.。

360°全視場角衍射光學(xué)元件目前還未被公開報(bào)道，本發(fā)明巧妙利用了納米磚陣列材料的幾何相位和電磁共振效應(yīng)，是該領(lǐng)域重要的理論和方法突破，對于未來高端光傳感、體感全息、激光雷達(dá)、激光照明領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重要影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中衍射光學(xué)元件的工作原理示意圖；

圖2是本發(fā)明中衍射光學(xué)元件的單元結(jié)構(gòu)及其工作示意圖；

圖3是本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)排布方式示意圖。

圖4是器件相位調(diào)制大小與納米磚轉(zhuǎn)角關(guān)系圖；

圖5是器件轉(zhuǎn)化效率與納米磚轉(zhuǎn)角關(guān)系圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中電介質(zhì)納米磚位相分布示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中得到的均勻光點(diǎn)陣列仿真效果圖(部分)。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供一種360°全視場角衍射光學(xué)元件，包括由電介質(zhì)材料制成的基底層1和若干納米磚2，基底層和納米磚對響應(yīng)波長透明，且兩者材料不同；其中，各納米磚均為長方體且大小相同，且各納米磚的長、寬、高均為亞波長尺度；納米磚以不同轉(zhuǎn)角設(shè)于基底層上，形成單元結(jié)構(gòu)，通過其朝向角的不同來對入射光的相位進(jìn)行任意連續(xù)的調(diào)制，并且使得調(diào)制后的光場前向和后向同步傳輸。

本發(fā)明一種360°全視場角衍射光學(xué)元件同時(shí)利用了電介質(zhì)納米磚的磁共振效應(yīng)和幾何相位特性，實(shí)現(xiàn)了對特定波長的透反能量各占一半的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了位相的精密和連續(xù)操控。這種基于電介質(zhì)納米磚陣列的衍射光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件不能實(shí)現(xiàn)的前后向同時(shí)傳輸功能，并且僅需要簡單的二臺階微納光學(xué)工藝，是微納光學(xué)領(lǐng)域重要的理論和方法的突破，有望在光傳感、體感全息、激光雷達(dá)、激光照明等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)以上調(diào)制效果，本發(fā)明還提供一種360°全視場角衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1，確定響應(yīng)主波長λ，進(jìn)而確定在此波長范圍透明的納米磚電介質(zhì)材料；

在本實(shí)施例中，確定響應(yīng)主波長λ＝830nm，基底層的電介質(zhì)材料選用熔融石英玻璃，納米磚的電介質(zhì)材料選用非晶硅；

步驟2，采用電磁仿真軟件，以左旋或右旋圓偏光垂直照射納米磚，確定透射和反射的交叉偏振轉(zhuǎn)化效率高且相等、同向偏振轉(zhuǎn)化效率最低時(shí)的單元結(jié)構(gòu)的邊長C、納米磚的寬度W、高度H和長度L；

在本實(shí)施例中，采用電磁仿真軟件Comsol對單元結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圓偏光垂直入射、以透射和反射的右旋(或者左旋)圓偏光的轉(zhuǎn)化效率作為優(yōu)化對象。掃描單元結(jié)構(gòu)長寬尺寸C、納米磚長度L、寬度W、納米磚高度H，以期獲得最佳參數(shù)。要求反射光和透射光中的交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)轉(zhuǎn)化效率最高且相等、同向偏振(左旋→左旋，或右旋→右旋)轉(zhuǎn)化效率最低。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化參數(shù)為：C＝400nm，納米磚長寬高尺寸分別為：200nm×120nm×310nm。圖2是單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圓偏光垂直入射至優(yōu)化得到的電介質(zhì)納米磚后，透射和反射光中的交叉偏振相位調(diào)制大小隨納米磚朝向角的變化圖，可以看出相位調(diào)制大小等于納米磚朝向角的兩倍。圖5是優(yōu)化得到的納米磚對偏振光轉(zhuǎn)化效率隨納米磚朝向角的變化圖，可以看出所設(shè)計(jì)的納米磚不僅實(shí)現(xiàn)了交叉偏振的高效率轉(zhuǎn)化、同向偏振的有效抑制，而且具有位相調(diào)制的反射光和透射光能量幾乎相等、且隨納米磚轉(zhuǎn)角的影響非常小，達(dá)到了單元設(shè)計(jì)的目的。

步驟3，確定衍射光學(xué)元件生成的圖案的像素?cái)?shù)m和n，其中，m、n分別為長、寬方向上對λ產(chǎn)生圖案的像素?cái)?shù)，要求該圖案必須是旋轉(zhuǎn)對稱，即(x,y)和(-x,-y)兩個(gè)不同位置的光點(diǎn)的強(qiáng)度是一樣的，這么做的目的是避免入射光偏振態(tài)的影響。根據(jù)公式d_x＝mλ/θ_x和d_y＝nλ/θ_y計(jì)算主波長為λ時(shí)納米磚的排列周期尺寸，其中，θ_x、θ_y為長、寬方向上衍射光學(xué)元件的投影角度，要實(shí)現(xiàn)360°全視場角，顯然θ_x、θ_y均為180°。

步驟4，依據(jù)公式M＝d_x/C，N＝d_y/C得到單周期內(nèi)單元結(jié)構(gòu)長、寬方向?qū)Ζ隧憫?yīng)的單元數(shù)M和N；

步驟5，采用傅里葉迭代算法，得到對λ響應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)相位分布Φ，從而得到這些單元結(jié)構(gòu)內(nèi)納米磚的朝向角φ(i,j)，其與該單元結(jié)構(gòu)相位分布Φ的關(guān)系為：φ＝Φ/2，其中，i，j表示衍射光學(xué)元件x和y方向上第(i,j)個(gè)納米磚；

步驟6，沿單元結(jié)構(gòu)長度和寬度方向上將納米磚依次排列，得到所需的衍射光學(xué)元件。

依照上述步驟，我們設(shè)計(jì)一個(gè)360°的均勻光點(diǎn)(取偶數(shù)級次的光點(diǎn))，像素M＝N＝180，光點(diǎn)間隔為1°，得到衍射光學(xué)元件的周期為95.2μm×95.2μm，單周期點(diǎn)數(shù)為238×238。優(yōu)化后得到的位相分布如圖6所示，將所述位相值除以2，即可得到衍射光學(xué)元件單周期內(nèi)每一個(gè)象元的納米磚的轉(zhuǎn)角。圖7是得到的傅里葉遠(yuǎn)場光點(diǎn)陣列仿真圖(部分)。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。