一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法技术

本发明专利技术一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法，包括基底层和蚀刻在基底层工作面上周期排列的若干纳米砖，所述基底层可划分为若干与纳米砖相对应的单元结构，所有单元结构长宽高相同，单个单元结构的工作面为正方形，其边长为400nm，所有纳米砖的尺寸相同，其长宽高尺寸分别为200nm×120nm×310nm，且纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度，所述纳米砖以不同朝向角设于对应的单元结构上，所述朝向角为该纳米砖位相的一半。本发明专利技术巧妙利用了纳米砖阵列材料的几何位相和电磁共振效应，实现了传统衍射光学元件不能实现的前后向同时传输功能，扩展了衍射光实际可到达的范围，同时实现了对特定波长透反能量各占一半且位相的精密连续操控。

A 360 degree wide field of view angle diffractive optical element and design method thereof

The invention relates to a 360 degree full angle of view of diffractive optical elements and its design method, including several nano brick base layer and etched in the basal layer on the working face of periodic arrangement, the base layer can be divided into several unit structure and nano bricks corresponding to the structure of all unit length and width and height is the same as that of the working face of single unit the structure for the square, the length of 400nm, all the nano bricks of the same size, the dimensions are 200nm * 120nm * 310nm, and the nano brick length, width and height are subwavelength scale, the nano brick with different orientation angle is arranged on the unit structure corresponding to the direction. The nano phase half brick. The invention skillfully utilizes nano array materials and brick geometry electromagnetic resonance effect, achieved after traditional diffractive optical elements can not be achieved at the same time to transfer function, expanded the scope of the actual diffraction light can reach, while achieving the specific wavelength of reflected energy accounted for half of the continuous phase and precision control.

【技术实现步骤摘要】
一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法
本专利技术属于微光学领域，特别涉及一种360°全视场角衍射光学元件及其设计实现方法。
技术介绍
衍射光学元件(DiffractiveOpticalElements,DOEs)是一类基于衍射原理工作的光学元件。传统衍射光学元件通过在透明的介质材料上刻蚀不同深度的浮雕结构来控制入射光的位相，最终用于制作基于位相调控的光器件。入射光经过衍射光学元件后能够扩展的衍射角度是评价其性能的重要指标。但一般来说，衍射光只能是透射或者反射，也就是两选一的工作模式，因此限制了衍射光实际可到达的范围，在光传感、激光雷达、体感、光显示等领域的应用将十分受限。
技术实现思路
基于几何位相调制的超颖表面材料是新一代衍射光学元件的热门功能材料，其具有精密的、连续的位相调节功能，再结合亚波长结构所特有的、一些奇异的物理效应(比如电磁共振)，通过优化设计，有望实现一种在透反射空间同时具有衍射光的360°全视场角的新概念衍射光学元件。本专利技术的目的，在于提供一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法，其可实现360°衍射角，使得调制后的光场前向和后向同步传输。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种360°全视场角衍射光学元件，包括基底层和蚀刻在基底层工作面上周期排列的若干纳米砖，其工作方式为半反射半透射式，所述基底层可划分为若干与纳米砖相对应的单元结构，所有单元结构长宽高相同，单个单元结构的工作面为正方形，其边长为400nm，所有纳米砖的尺寸相同，其长宽高尺寸分别为200nm×120nm×310nm，且纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度，所述纳米砖以不同朝向角α(i,j)设于对应的单元结构上，所述朝向角为纳米砖长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足单元结构内α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布。优选的，所述基底层和纳米砖的电介质材料不同。上述360°全视场角衍射光学元件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定响应主波长λ，进而确定在此波长范围透明的纳米砖和基底层的电介质材料；步骤2，采用电磁仿真法，优化单元结构的边长C、纳米砖的宽度W、高度H和长度L，使纳米砖共振波长与响应主波长适度偏移，以达到左旋或右旋圆偏光垂直照射纳米砖时，透射和反射的交叉偏振转化效率最高且相等、同向偏振转化效率最低；步骤3，确定衍射光学元件生成的图案的像素数m和n，其中，m、n分别为长、宽方向上对λ产生图案的像素数，根据设计需求确定；然后根据公式dx＝mλ/θx和dy＝nλ/θy计算主波长为λ时纳米砖的排列周期尺寸，其中，θx、θy为单元结构长、宽方向上衍射光学元件的投影角度，θx、θy均为180°；步骤4，依据公式M＝dx/C，N＝dy/C得到单周期内单元结构长、宽方向对λ响应的单元数M和N；步骤5，采用傅里叶迭代算法，得到对λ响应的单元结构位相分布Φ，从而得到单元结构内纳米砖的朝向角α(i,j)，单元结构内纳米砖的朝向角与位相分布满足α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布；步骤6，沿基底层单元结构长度和宽度方向上将纳米砖依次排列，得到所述的360°全视场角衍射光学元件。优选的，确定响应主波长λ＝830nm，基底层的电介质材料选用熔融石英玻璃，纳米砖的电介质材料选用非晶硅。采用上述方案，本专利技术基于两个物理机理：一个是几何位相；一个是电磁共振。几何位相指的是纳米砖长宽方向大小不一致形成的各向异性，利用这种各向异性可以实现对入射圆偏振光的任意位相调制，具体原理可参阅参考文献：GuoxingZheng,HolgerMühlenbernd,MitchellKenney,GuixinLi,ThomasZentgrafandShuangZhang.Metasurfacehologramsreaching80％efficiency.NatureNanotechnology,10(5),308-312,2015。电磁共振指的是当材料结构小于波长量级时，其类似于米氏散射体，如果入射光波波长与米氏散射体的共振波长匹配，将产生强烈的后向散射效应，具体原理可参阅参考文献：Zhao,Qian,etal."Mieresonance-baseddielectricmetamaterials."MaterialsToday12.12(2009):60-69.。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：360°全视场角衍射光学元件目前还未被公开报道，本专利技术巧妙利用了纳米砖阵列材料的几何位相和电磁共振效应，实现了传统衍射光学元件不能实现的前后向同时传输功能，扩展了衍射光实际可到达的范围，同时实现了对特定波长透反能量各占一半且位相的精密连续操控，并且仅需要简单的二台阶微纳光学工艺，是该领域重要的理论和方法突破，对于未来高端光传感、体感全息、激光雷达、激光照明领域将产生重要影响。附图说明图1是本专利技术中衍射光学元件的工作原理示意图；图2是本专利技术中衍射光学元件的单元结构及其工作示意图；图3是本专利技术中单元结构排布方式示意图；图4是器件位相调制大小与纳米砖朝向角关系图；图5是器件转化效率与纳米砖朝向角关系图；图6是本专利技术实施例中电介质纳米砖位相分布示意图；图7是本专利技术实施例中得到的均匀光点阵列仿真效果图(部分)。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1至图3所示，本专利技术提供一种360°全视场角衍射光学元件，包括由电介质材料制成的基底层1和若干纳米砖2，基底层和纳米砖对响应波长透明，且两者材料不同；其中，各纳米砖均为长方体且大小相同，且各纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度；纳米砖以不同朝向角设于基底层上，形成单元结构，通过其朝向角的不同来对入射光的位相进行任意连续的调制，并且使得调制后的光场前向和后向同步传输。本专利技术一种360°全视场角衍射光学元件同时利用了电介质纳米砖的磁共振效应和几何位相特性，实现了对特定波长的透反能量各占一半的同时，还实现了位相的精密和连续操控。这种基于电介质纳米砖阵列的衍射光学元件，实现了传统衍射光学元件不能实现的前后向同时传输功能，并且仅需要简单的二台阶微纳光学工艺(曝光、显影、刻蚀)，是微纳光学领域重要的理论和方法的突破，有望在光传感、体感全息、激光雷达、激光照明等领域得到重要应用。为了实现以上调制效果，本专利技术还提供一种360°全视场角衍射光学元件的设计方法，包括如下步骤：步骤1，确定响应主波长λ，进而确定在此波长范围透明的纳米砖电介质材料；在本实施例中，确定响应主波长λ＝830nm，基底层的电介质材料选用熔融石英玻璃，纳米砖的电介质材料选用非晶硅；步骤2，采用电磁仿真软件，以左旋或右旋圆偏光垂直照射纳米砖，确定透射和反射的交叉偏振转化效率最高且相等、同向偏振转化效率最低时的单元结构的边长C、纳米砖的宽度W、高度H和长度L；在本实施例中，采用电磁仿真软件Comsol对单元结构参数进行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以透射和反射的右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率作为优化对象。扫描单元结构长宽尺寸C、纳米砖长度L、宽度W、纳米砖高度H，以期本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种360°全视场角衍射光学元件，其特征在于：基底层的工作面上蚀刻有周期性排列的纳米砖阵列单元，其工作方式为半反射半透射式，所述基底层可划分为若干与纳米砖相对应的单元结构，所有单元结构长宽高相同，单个单元结构的工作面为正方形，其边长为400nm，所有纳米砖的尺寸相同，其长宽高尺寸分别为200nm×120nm×310nm，且纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度，所述纳米砖以不同朝向角α(i,j)设于对应的单元结构上，所述朝向角为纳米砖长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足单元结构内α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布。

【技术特征摘要】
1.一种360°全视场角衍射光学元件，其特征在于：基底层的工作面上蚀刻有周期性排列的纳米砖阵列单元，其工作方式为半反射半透射式，所述基底层可划分为若干与纳米砖相对应的单元结构，所有单元结构长宽高相同，单个单元结构的工作面为正方形，其边长为400nm，所有纳米砖的尺寸相同，其长宽高尺寸分别为200nm×120nm×310nm，且纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度，所述纳米砖以不同朝向角α(i,j)设于对应的单元结构上，所述朝向角为纳米砖长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足单元结构内α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布。2.如权利要求1所述的一种360°全视场角衍射光学元件，其特征在于，所述基底层和纳米砖的电介质材料不同。3.权利要求1所述的一种360°全视场角衍射光学元件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定响应主波长λ，进而确定在此波长范围透明的纳米砖和基底层的电介质材料；步骤2，采用电磁仿真法，优化单元结构的边长C、纳米砖的宽度W、高度H和长度L，使纳米砖共振波长与响应主波长适度偏移，以达到左旋或...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，李子乐，王宇，吴伟标，邓联贵，戴琦，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42