一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面

本发明涉及闪耀光栅，尤其是涉及一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面。

背景技术：

1、闪耀光栅，是一种特殊类型的衍射光栅。它经过优化，可在给定的衍射级中实现最大的光栅效率。最大光功率集中在所需的衍射级，而其他级(特别是第零级)的剩余功率被最小化。由于这一条件只能针对一个波长精确地实现，因此指定光栅针对哪个闪耀波长进行优化(或闪耀)。实现最大效率的方向称为闪耀角，是闪耀光栅的第三个关键特性，直接取决于闪耀波长和衍射级。通过闪耀角的设计，可使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。

2、闪耀光栅应用非常普遍，在分光、光学整形、合束、成像和光谱技术中有广泛的应用。并且光栅根据其设计结构分为4种：(1)透射式光栅，透射光栅是一种获得普遍使用的光栅。这种光栅是在透明基底上刻蚀出一个周期性的平行结构得到的。这种结构可以使光在空间上分散开；(2)反射式光栅，另一种十分常见的衍射光学元件是反射式光栅。反射式光栅一般是将金属涂层沉积在光学元件上，再在表面刻蚀平行凹槽而制造的。反射式光栅也可以由环氧树脂和/或塑料为原料，从底版模型压印制造。在所有情况下，光以对应于不同阶次和波长的不同角度从刻线表面反射；(3)闪耀光栅，设计的一种在特定衍射级别产生最大衍射效率的特定的反射或者投射衍射光栅结构。这意味着，在设计的衍射级别上光功率占大多数，同时在其他级别(尤其是零级)光功率的损失最小；(4)全息表面光栅，由底版光栅为原料，经受类似于刻线光栅的过程而制造。底版全息光栅通常通过将光敏材料曝光到两束干涉激光束而制成。干涉图案在表面上以周期性图案显现，然后它可以经过物理或化学处理来显现出正弦表面图案。

3、光束调控在众多应用中都至关重要，涵盖激光雷达(lidar)、光通信、激光加工以及3d打印等领域。自动驾驶汽车和无人机对激光雷达的需求日益增加，对光带宽的持续增长趋势尤为显著。这些应用推动了对光束操纵设备的不断需求增长，并促使对新方法和技术的深入研究。但是透射式闪耀光栅的透射效率往往没有反射式的高，而且衍射图样中没有色散的零级主最大，总是占总光能的很大一部分，其余光能分散在各级光谱中，而实际使用光栅时往往只利用它的某一级；这对光栅的应用是很不利的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面。结合闪耀光栅与透射式光栅的优点，利用金属表面等离激元与结构光发生器产生的结构光场，可以实现光束的定向调控。

2、本发明所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，包括结构光产生器和透射式闪耀光栅超表面；

3、所述结构光产生器用于将入射光转换为具有特定波长和方向的结构光，以便于后续的光栅超表面处理；所述结构光产生器采用泰伯光栅，泰伯光栅由一层二氧化硅衬底加上由金膜刻蚀成的光栅组成；

4、所述透射式金属闪耀光栅超表面由一层二氧化硅衬底和一层由金膜刻蚀成的超表面组成；超表面由若干个周期排列的t形狭缝和可编辑位置的凹槽组成；超表面的周期与泰伯光栅的周期相同；所述二氧化硅衬底用于作为整个超表面的基础，起到支撑和保护作用；所述金膜沉积在二氧化硅衬底上，金膜用于提供高反射率的表面，增强光的干涉效果；

5、在金膜上刻蚀t形狭缝和凹槽，所述t形狭缝用于增加狭缝产生spp的能量，使可调控的能量更多；t形狭缝周期性排列，每个t形狭缝由一个水平部分和一个垂直部分组成，可以将入射光分成多个衍射级；每个t形狭缝的中心与泰伯场在z方向上的一维场分布中的波峰位置对准，以保证透射率；

6、所述凹槽位于t形狭缝之间，凹槽的位置、尺寸和数量可根据需要进行编辑和设计，凹槽用于调控各个衍射级的强度分布和光的传播方向。

7、在一个实施例中，所述金膜的厚度为200nm。

8、在一个实施例中，所述t形狭缝的上部分宽120nm，深35nm，下部分宽60nm。

9、在一个实施例中，所述凹槽的深度为40nm，宽度为7～40nm。

10、所述结构光产生器也可以采用纳米狭缝光栅等。

11、一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面的设计方法，包括以下步骤：

12、1)结构光产生器的设计：结构光产生器采用泰伯光栅，泰伯光栅由一层二氧化硅衬底和一层由金膜刻蚀成的光栅组成；泰伯光栅的周期为p，厚度为h；

13、2)透射式超表面基础结构设计：在一层二氧化硅衬底上沉积一层金膜层构成透射式超表面基础结构；

14、3)透射式超表面周期性设计：泰伯光栅具有x方向和z方向的周期性，其在z方向上的一维场分布具有周期性，利用这种特性设计透射式超表面周期性，超表面的周期与泰伯光栅的周期p相同；

15、4)t形狭缝设计：在金膜表面刻蚀周期排列的t形狭缝，t形狭缝设计的目的是增加狭缝产生spp的能量，使可调控的能量更多，更利于提升单向散射光的比例；调整狭缝的宽度、长度和深度等尺寸参数，以实现所需的光束传输和偏振状态调控；每个t形狭缝的中心与泰伯场在z方向上的一维场分布中的波峰位置对准，以保证透射率尽可能的大；

16、5)凹槽设计：利用表面等离激元光场散射调控模型扫描金膜表面的凹槽波谷位置，以实现表面等离激元的散射强度最大化；扫描在波谷附近(±50nm)凹槽位置，用偶极子模型计算凹槽不同相对位置的二维散射方向强度，优化出凹槽最佳的相对位置，电磁场在金属表面干涉产生驻波，经过凹槽后产生散射，生成数个不同方向传播的定性光束；散射光束的级数与光源的波长λ与光栅和超表面的周期p有关。

17、当入射光照射到超表面上时，被t形狭缝分割成多个衍射级；这些衍射级在金膜的上下表面反射，形成干涉条纹；通过调整t形狭缝和凹槽的几何参数，使干涉条纹的周期与光的波长相当，从而实现对光的调控。

18、由于凹槽可以灵活地控制光的传播方向和偏振状态，因此本发明所述超表面结构可以应用于光束整形、光学陷波器、光学传感器等领域。例如，在光束整形中，可以通过设计凹槽的位置和尺寸来产生具有特定形状的光束。在光学陷波器中，可以通过调控凹槽的深度和宽度来实现对特定波长的光的滤波。在光学传感器中，可以通过改变凹槽的几何参数来响应外界环境的变化。

19、与现有技术相比，本发明设计的透射式闪耀光栅超表面具有如下优点：

20、1、器件的透射率可以通过设计金膜厚度和透射单元结构来优化。比一般透射式光栅要高。

21、2、通过优化凹槽位置可以提升非0级光束的比例，大大提升透射光能量的利用率。

22、3、提供利用表面等离激元设计的透射式闪耀光栅，为以后的光束调控器件的设计提供新的设计思路。

技术特征：

1.一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，其特征在于包括结构光产生器和透射式闪耀光栅超表面；

2.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，其特征在于所述金膜的厚度为200nm。

3.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，其特征在于所述t形狭缝的上部分宽120nm，深35nm，下部分宽60nm。

4.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，其特征在于所述凹槽的深度为40nm，宽度为7～40nm。

5.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

6.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面在光场调控中的应用。

7.如权利要求6所述应用，其特征在于入射光照射到超表面上时，被t形狭缝分割成多个衍射级；这些衍射级在金膜的上下表面反射，形成干涉条纹；通过调整t形狭缝和凹槽的几何参数，使干涉条纹的周期与光的波长相当，实现对光的调控。

8.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面在光束整形中的应用，所述应用是通过设计凹槽的位置和尺寸产生具有特定形状的光束。

9.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面在光学陷波器中的应用，所述应用是通过调控凹槽的深度和宽度实现对特定波长的光的滤波。

10.如权利要求1所述一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面在光学传感器中的应用；所述应用是通过改变凹槽的几何参数响应外界环境的变化。

技术总结一种基于结构光照明的金属透射式闪耀光栅超表面，涉及闪耀光栅。包括结构光产生器和透射式闪耀光栅超表面；结构光产生器用于将入射光转换为具有特定波长和方向的结构光；透射式金属闪耀光栅超表面由二氧化硅衬底和由金膜刻蚀成的超表面组成；超表面包括若干周期排列的T形狭缝和可编辑位置的凹槽；超表面的周期与泰伯光栅的周期相同，可将入射光分成多个衍射级；每个T形狭缝的中心与泰伯场在z方向上一维场分布中的波峰位置对准，以保证透射率；凹槽位于T形狭缝之间，用于调控各个衍射级的强度分布和光传播方向。结合闪耀光栅与透射式光栅，利用金属表面等离激元与结构光发生器产生的结构光场，实现光束定向调控，提升透射光能量的利用率。技术研发人员：王家园,王钢受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2