激光随机散射材料及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种激光随机散射材料及其设计方法，该激光随机散射材料可将入射激光整形为全空间随机分布和任意光强分布的光出射，即可任意调控出射光的空间位置和该位置处光点的强度，实现随机散射。该激光随机散射材料由超表面阵列结构构成，包含二氧化硅基底及基底上刻蚀的硅纳米砖阵列，具有结构简单紧凑、体积小、重量轻、与现有硅基半导体技术兼容以便于高度集成等优势，这种材料在无人机夜间航拍辅助照明、安防、全景相机和三维重建等方面具有潜在的应用价值。

Laser random scattering material and its design method

The invention discloses a laser random scattering material and a design method thereof. The laser random scattering material can reshape the incident laser into light emission with random distribution in the whole space and arbitrary light intensity distribution, and can arbitrarily adjust the spatial position of the emitted light and the intensity of light points at the position to realize random scattering. The laser random scattering material is composed of super surface array structure, including silicon dioxide substrate and silicon nano brick array etched on the substrate. It has the advantages of simple and compact structure, small volume, light weight, compatibility with existing silicon-based semiconductor technology and high integration. This material has the advantages of UAV night aerial auxiliary lighting, security, panoramic camera and 3D reconstruction Potential application value.

【技术实现步骤摘要】
激光随机散射材料及其设计方法
本专利技术涉及微纳光学
，具体是指一种激光随机散射材料及其设计方法。
技术介绍
无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机远程控制系统进行操控的不载人飞行器，其结构简单、使用成本低、操作简单、灵活性强、稳定性好，被大量应用在航空摄影、地理测绘、农业植保、电力巡线、环境监测及警用侦查等领域。现有的无人机一般不具备照明作用，夜间航拍时由于光照不足导致航拍效果不理想，拍摄图像不清晰。可将闪光灯置于无人机上实现夜间航拍的照明，但闪光灯、电池和引闪器的重量，使得无人机续航大大地下降，且照明设备无法根据摄像头的取景方向更改照明区域。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种激光随机散射材料及其设计方法，利用超表面结构实现全空间随机散射，使无人机可实现全方位夜间补光、夜间航拍和夜间搜索等功能。为实现上述目的，本专利技术一方面提供一种激光随机散射材料，其特征在于：所述材料由超表面阵列结构构成，包含二氧化硅基底和刻蚀在所述基底上的硅纳米砖阵列，所述纳米砖阵列由Mx×My个尺寸一致仅方向角不同的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列组成。本专利技术另一方面提供一种激光随机散射材料的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)确定工作波长λ，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，优化具有半透半反分光特性同时可等效为半波片的纳米砖单元结构，使得工作波长下的圆偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光的反射率和透过率基本相等的一组尺寸参数；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H和单元结构基底边长C；(2)假设纳米砖阵列包含Mx×My个亚波长纳米砖单元结构，单元结构中心间隔为C，当平面波正入射时，透射空间及反射空间产生的衍射级次数量各为Mx×My个；所述超表面阵列结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖阵列构成；所述单元结构中心间隔C≤λ/2；(3)随机选取行波中的N个级次为目标衍射级次，N≤Mx×My；随机排布N个目标衍射级次的光强分布，通过灰度补偿和G-S算法的优化出纳米砖阵列的相位分布矩阵φ，由关系式φ＝2Φ计算得到纳米砖阵列的方向角排布矩阵Φ；(4)将Mx×My个尺寸一致、方向角按照方向角排布矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列，构成激光随机散射材料。作为优选方案，所述步骤(1)中工作波长λ选用633nm；当工作波长λ选用633nm时，纳米砖的长度为230nm，宽度为124nm，高度为277nm，单元结构基底边长为300nm。进一步地，所述步骤(2)中的基底选用二氧化硅，所述纳米砖单元结构选用硅纳米砖。本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术激光随机散射材料及其设计方法，该材料可将入射激光整形为全空间随机分布和任意光强分布的光出射，即可任意调控出射光的空间位置和该位置处光点的强度，实现随机散射。而且该激光随机散射材料具有结构简单紧凑、体积小、重量轻、易于高度集成等优势，大大降低了无人机的负重，使无人机可实现夜间补光、夜间航拍和夜间搜索等功能，而且可拓展至灯塔、浮标等其他需要全方位观测指示的场景。附图说明图1是本专利技术中纳米砖单元结构的示意图；图2是本专利技术中设计的纳米砖单元结构的透射和反射效率；图3是本专利技术中由Mx×My个尺寸一致仅方向角不同的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列，构成的纳米砖阵列的示意图；图4是本专利技术中设计的透射空间的归一化光强分布图；图5是本专利技术中通过灰度补偿和G-S算法优化的纳米砖阵列的相位分布示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细阐述本专利技术。1、优化设计具有半透半反的分光特性和半波片功能的纳米砖单元结构。下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖单元结构的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖单元结构的方向角(Φ的取值范围为0°～180°)，如图1所示。通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖单元结构1的高度H、长度L、宽度W和单元结构基底边长C，如图1所示，使得工作波长圆偏振光正入射至纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光反射率和透过率基本相等的一组尺寸参数，即优化后的纳米砖单元结构的尺寸参数，优化设计后的纳米砖单元结构可以实现半透半反的分光功能。纳米砖单元结构工作时其功能可等效为半波片，可用琼斯矩阵来表示，当入射光为圆偏光(左旋圆偏振光取“+”，右旋圆偏振光取“-”)时，经过纳米砖单元结构后的出射光可表示为：由式(1)可知，出射光仍为圆偏振光，但旋向与入射光相反，且附加了2Φ的相位延迟，即相位延迟量φ是纳米砖方向角Φ的2倍。因此通过改变纳米砖的方向角可实现出射光的相位调节，进而将出射光投射至全空间360°任意方向出射。2、纳米砖阵列的相位设计方法。纳米砖阵列包含Mx×My个亚波长纳米砖单元结构，单元结构中心间隔为C，当平面波正入射时，透射空间及反射空间产生的衍射级次数量各为Mx×My个，其中，第(mx,my)个衍射级次的横向空间频率为：式(2)中，|mx|≤Mx/2，|my|≤My/2。当横向空间频率k'≥1/λ时，对应的衍射级次为倏逝波，其无法传播至远场。反之，横向空间频率k'＜1/λ时，对应的衍射级次为行波，其能传播至远场，相应的衍射角度为：其中，θx为衍射级次与坐标面yoz的夹角，θy为衍射级次与坐标面xoz的夹角，θ为衍射级次与z轴的夹角。由式(2)和(3)可知，当单元结构中心间隔满足C≤λ/2时，行波衍射角接近90°，即衍射光波能充满整个透射空间。随机选取行波中的N(N≤Mx×My)个级次为目标衍射级次，任意排布目标衍射级次的光强分布，通过灰度补偿和G-S算法的优化出纳米砖阵列的相位分布矩阵φ，由关系式φ＝2Φ计算得到纳米砖阵列的方向角排布矩阵Φ。所设计的激光随机散射材料可将入射激光整形为透射空间随机空间分布和任意光强分布的光出射，再利用前面所设计的纳米砖单元结构半透半反的分光特性，实现透反射同步相位调制，最终实现全空间(透射空间和反射空间)随机散射。其中，基底为二氧化硅基底，纳米砖单元结构为硅纳米砖，但不限于此。本实施例激光随机散射材料及其设计方法，其预期实现的功能是该激光随机散射材料可将入射激光整形为全空间随机分布和任意光强分布的光出射，即可任意调控出射光的空间位置和该位置处光点的强度。本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的硅纳米砖构成，如图1所示。选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件CST对纳米砖单元结构进行优化仿真，得到优化后的硅纳米砖的尺寸参数为：长为L＝230nm，宽为W＝124nm，高为H＝277nm，单元结构基底边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光随机散射材料，其特征在于：所述材料由超表面阵列结构构成，包含二氧化硅基底和刻蚀在所述基底上的硅纳米砖阵列，所述纳米砖阵列由M

【技术特征摘要】
1.一种激光随机散射材料，其特征在于：所述材料由超表面阵列结构构成，包含二氧化硅基底和刻蚀在所述基底上的硅纳米砖阵列，所述纳米砖阵列由Mx×My个尺寸一致仅方向角不同的纳米砖单元结构在x、y方向上等间隔排列组成。


2.一种如权利要求1所述激光随机散射材料的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)确定工作波长λ，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，优化具有半透半反分光特性同时可等效为半波片的纳米砖单元结构，使得工作波长下的圆偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光的反射率和透过率基本相等的一组尺寸参数；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H和单元结构基底边长C；
(2)假设纳米砖阵列包含Mx×My个亚波长纳米砖单元结构，单元结构中心间隔为C，当平面波正入射时，透射空间及反射空间产生的衍射级次数量各为Mx×My个；所述超表面阵列结构由基底和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子乐，付娆，邓娟，戴琦，梁聪玲，郑国兴，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42