本发明专利技术公开了一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。该元件结构是由单元结构组成的阵列，每个银几何体与其对应的二氧化硅层和银反射层构成单元结构；所述单元结构对可见光有宽带的响应；所述单元结构对偏振不敏感；所述单元结构周期性排布组成阵列可实现宽带的色散。本发明专利技术结构尺度小易于集成，对可见光波段色散能力强，色散角度覆盖范围大，可用于光谱仪、分光计等仪器中用于光波频率分析。
【技术实现步骤摘要】
宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用
本专利技术涉及微纳光学及光学色散领域，具体涉及一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。
技术介绍
传统的光学色散现象是由于光在介质中传播时，传播速度(折射率)随光波频率(波长)而造成的。传统的色散元件有棱镜和光栅，棱镜的色散依靠累计光程差，导致元件尺寸较大；光栅利用衍射现象，产生的色散会存在±1级以及其他级次。对于常见的超表面，由于材料和特定几何结构的特性，这种平面的结构通常对光偏振非常敏感，即对于不同的偏振呈现不同的光学响应。其次，在传统的几何光学和衍射光学的基础上工作的常规光栅，其原理是使光通过周期性排列的阵列以引起相位和/或偏振的快速变化。然而，等离子和衍射光学这两个关键光学领域一直都是独立研究和开发的。因此，对等离子超表面与普通衍射光栅之间的体系结构杂交的研究和调查不足。同样，在纳米光子学领域还不清楚等离子体效应和光栅效应之间的相互作用如何影响新兴的纳米级光学器件的性能。近年来，基于超表面材料的具有色散功能的元件逐渐被提出，基于广义的折反射定律，对光波相位的调控从光程差的累计过程变成了二维表面的相位梯度改变。通过利用二维表面的相位变化就可以实现对折射或反射角的调控，使色散元件减小到超微尺寸。但仍存在一些亟待解决的问题。例如“LiZ,PalaciosE,ButunS,etal.Visible-frequencymetasurfacesforbroadbandanomalousreflectionandhigh-efficiencyspectrumsplitting[J].Nanoletters,2015,15(3):1615-1621.”论述了一种表面的梯形结构，可以实现宽带的可见光波段色散现象，可是对偏振态敏感。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。为实现上述目的，本专利技术提供的方案如下：第一方面，本专利技术提供一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构，其特征在于：包括介质基底层；所述介质基底层由下部的银反射层和上部二氧化硅层构成；所述二氧化硅层上设有若干个尺寸相同的银几何体；所述银几何体在介质基底层上在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期进行排布；所述银几何体的结构尺寸均为亚波长尺寸；每个银几何体与其下方的800*200nm2二氧化硅层和银反射层构成单元结构；所述单元结构对宽带的可见光波段响应，对偏振不敏感；所述单元结构在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期，进行周期性排布组成阵列可实现宽带的色散。作为优选方案，所述银几何体为棱台结构。进一步地，以宽带的色散效果作为优化对象得到优化设计的单元结构；所述银几何体的宽边的宽度为W1、宽边的高度为H1、窄边的宽度为W2和窄边的高度为H2；所述二氧化硅层的厚度为d；所述优化参数为：W1＝100nm、H1＝30nm、W2＝30nm、H2＝100nm，d＝30nm；所述单元结构的尺寸为长边800nm，短边为200nm。第二方面，本专利技术提供一种上述宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构在实现可见光波段的高性能色散中的应用。与传统的元件相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术的色散元件色散能力强，色散角度范围大，同时只具有+1级色散。(2)本专利技术元件的单元结构具有超微尺寸，因此还具有体积小、重量轻、易于集成等重要优点，可广泛应用于光谱仪集成化以及其他光子集成领域。附图说明图1是本专利技术中单元结构示意图；图2是本专利技术中单元结构阵列排布示意图；图3是本专利技术实施例中x方向线偏振光垂直照射元件后的色散角度随波长变化的仿真图；图4是本专利技术实施例中y方向线偏振光垂直照射元件后的色散角度随波长变化的仿真图；图5是本专利技术实施例中正交偏振光垂直照射元件后的色散角度随波长变化的仿真图；图中：1-银几何体；2-二氧化硅层；3-银反射层；W1为银几何体宽边的宽度、H1为银几何体宽边的高度、W2为银几何体窄边的宽度、H2为银几何体窄边的高度。具体实施方式为了更清楚的说明本专利技术结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例1本实施例为宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构的具体设计过程。利用电磁仿真软件FDTDSolutions对单元结构进行优化设计，以宽带的色散效果作为优化对象，扫描银几何体的宽边的宽度W1、宽边的高度H1、窄边的宽度W2和窄边的高度H2，二氧化硅层的厚度d，以获得期望功能下的最佳参数。经过优化计算，最后得到的优化参数为W1＝100nm、H1＝30nm、W2＝30nm、H2＝100nm，d＝30nm，单元结构的尺寸为长边800nm，短边为200nm。图1是单元结构示意图。沿x方向和y方向将单元结构周期性排布，如图2所示，构成银几何体阵列。当一束白光从阵列的正上方垂直入射到阵列表面时，将会发生异常反射现象，同时不同波长的光被反射到不同的角度，即光波的色散。图3利用软件仿真了沿x方向振动的线偏振白光入射到阵列表面的色散效果；同理，图4展示了沿y方向振动的线偏振白光入射到银几何体阵列表面的色散效果。当具有任意偏振态的白光入射时，相当于具有正交偏振态的光入射到银几何体的表面，其色散效果如图5所示。为了便于理解本专利技术技术方案，下面将详细介绍本专利技术结构能实现偏振不敏感的超薄可见光宽带色散元件结构的技术原理：根据广义的反射定律：式中θi和θr分别为入射角和反射角，λ0为光波波长，φ(x)是沿x方向表面的相位梯度，ni为入射介质的折射率。根据公式可知，当为一个常数时，那么反射角θr由入射光波的波长决定，即不同波长的光波具有不同的反射角从而形成色散现象。这种相位梯度的设计通常是沿单一方向的，即相位梯度或为常数，本专利技术在x方向设计了这种常数型相位梯度，沿x方向的相位梯度可以使沿y方向振动的线偏振光发生异常反射现象，即色散效果。沿x方向振动的线偏振光由于对该相位梯度不敏感，因此，在本专利技术中，运用的是闪耀光栅的思想。闪耀光栅利用它的刻槽面与光栅面不平行，使单个刻槽面衍射的中央极大和诸槽面间干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大，转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀。利用闪耀的原理和思想，根据图1所示，银几何体在z方向有一定的坡度，通过对该坡度的高度以及尺寸进行优化，最后可以实现对x方向振动的线偏振光实现与y方向振动的偏振光一样的色散效果。并且改善原本闪耀光栅只对一个特定波长使用的问题，使其工作波长变为宽带波长。实施例2本实施例为具有分光和吸收可调功能的宽带可见光超光栅的具体设计过程。利用电磁仿真软件FDTDSolutions对单元结构进行优化设计，以光束的异常偏折效果作为优化对象，对银几何体的宽边的宽度、宽边的高度、窄边的宽度和窄边的高度，二氧本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构，其特征在于：包括介质基底层；所述介质基底层由下部的银反射层(3)和上部的二氧化硅层(2)构成；/n所述二氧化硅层上设有若干个尺寸相同的银几何体(1)；所述银几何体(1)在介质基底层上在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期进行排布；所述银几何体(1)的结构尺寸均为亚波长尺寸；/n每个银几何体(1)与其下方的800*200nm
【技术特征摘要】
1.一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构，其特征在于：包括介质基底层；所述介质基底层由下部的银反射层(3)和上部的二氧化硅层(2)构成；
所述二氧化硅层上设有若干个尺寸相同的银几何体(1)；所述银几何体(1)在介质基底层上在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期进行排布；所述银几何体(1)的结构尺寸均为亚波长尺寸；
每个银几何体(1)与其下方的800*200nm2二氧化硅层(2)和银反射层(3)构成单元结构；所述单元结构对宽带的可见光波段响应，对偏振不敏感；所述单元结构在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期，进行周期性排布组成阵列可实现宽带的色散。
2.根据权利要求1所述的宽带可...
【专利技术属性】
技术研发人员：万成伟，李仲阳，郑国兴，李子乐，代尘杰，邓联贵，杨睿，时阳阳，万帅，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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