[发明专利]一种平面结构闪耀光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一种闪耀光栅，尤其是可用于光栅光谱仪、精密测量、激光整形等领域的平面结构闪耀光栅。

背景技术

衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，但是在普通的衍射光栅中，没有色散特性的零级衍射光占据了很大一部分能量，而其他级次尤其是高级次的衍射光强度较弱。为了克服这个问题，利用刻槽的特定形状形成的反射光栅可以将衍射光集中在某一特定级次的光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。通常在光栅光谱仪中多数采用闪耀光栅作为分光器件。闪耀光栅的刻槽呈锯齿型，刻槽面与光栅面之间有一倾角ε，称为闪耀角。当某一级衍射光方向与槽面的反射方向一致时，可以将衍射光强极大值从无色散特性的零级光调整到相应的衍射级次上。对于波长为λ_b的一级衍射光，可以通过光栅方程d[sinα-sin(α-2ε)]＝λ_b来设计闪耀波长和闪耀方向，其中α是入射角，β＝α-2ε是一级衍射光方向，即闪耀方向，λ_b是闪耀波长，ε是闪耀角。在闪耀峰值波长上，一级衍射效率可以达到70％～80％。但由于采用立体结构，刻槽面与光栅面要求特定的倾角，加工精度要求很高，工艺繁复。由于制作时的误差，可能引起某方向上某些不希望出现的波长干涉相长而产生极大值，使光谱分析复杂化。这大大限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面结构闪耀光栅，与现有的锯齿形闪耀光栅相比，本发明为平面结构，制作容易，且其能完全抑制零阶反射，红外、太赫兹一级衍射效率高达100％，可见光波段金属有光吸收，但也达到90％以上。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明需包含上表面金属结构层、介质层和金属底板层，这三层从上至下依次相叠。

金属底板层作为整个结构的支撑底板，可根据力学性能等的需要选取金属厚度、种类，金属底板上表面需经过抛光处理，其表面粗糙度不应大于工作波长的十分之一，是一个理想反射面。介质层为一层均匀的电介质，厚度要求是光学亚波长厚度，通常比光波波长二分之一小。介质层可由金属底板层的上表面镀一层均匀介质膜形成，电介质的介电常数无特殊要求，可以是低介电常数的氧化硅，也可以是氧化铝，硅等材料。介质层上表面可通过磁控溅射再镀一层金属薄膜，上表面金属结构层可通过在该层金属薄膜光刻、电子束刻蚀等方法制作。

上表面金属结构层由周期排列的金属单元结构组成，可以是一维形式的金属带排成光栅结构或者复式光栅结构，也可以是金属方片，金属圆片或者金属同轴环等结构排列而成的二维阵列。上表面金属结构层的每一个金属结构单元与其下方的介质和金属底板构成了一个光学微腔，与入射光形成磁谐振。整体结构可以表述为一维或者二维排列的复式磁原子链或者磁原子表面。谐振单元通过周期结构的布拉格散射机制形成表面谐振态，此表面谐振态与入射光强耦合，吸收的入射光能量通过磁原子链或者磁原子表面重新分配，通过-1阶衍射通道和0阶反射通道重新辐射到自由空间。当入射光的水平波矢等于周期结构的布里渊区边界时，这种耦合效果达到最强，所有的入射光能量将以-1阶的形式反射到自由空间，不考虑金属的吸收情况下，衍射效率达到100％。为了产生足够强的布拉格散射，周期结构的周期数需大于10，周期长度一般等于工作波长的0.2倍到2倍，具体大小还依赖于结构单元的单元形式。工作波长可由上表面金属结构层的周期来调节，周期越长，工作波长越长。闪耀角可由上表面复式周期结构决定，具体可以调节两种金属单元的尺寸比例，或者同种金属单元的间距比例来控制。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、由于本发明利用一种平面超晶格周期结构来调控入射光的衍射，上表面金属结构层，介质层和下底板金属层组成的磁谐振表面态在布里渊区边界能与入射光发生强耦合，能量通过布拉格散射机制全部转化为-1阶衍射光，衍射效率高，红外、太赫兹波段能达到100％，可见光波段金属有强吸收，衍射效率也能达到90％以上。

2、本发明的磁谐振表面态通过结构参数控制，因此工作波长可由周期长度控制。

3、本发明通过其磁谐振表面态与入射光发生耦合，在布里渊区边界耦合效率达到最大，全部能量以-1阶衍射波形式反射到自由空间，入射角等于反射角，闪耀角可以通过周期单元的两种或多种结构尺寸的对比度控制，对比度越高，闪耀角越大。

4、本发明所需的三层结构均为平面结构，加工容易，加工精度高，成本低廉。

附图说明

图1是现有闪耀光栅的结构示意图。

图2A是本发明平面闪耀光栅的第一实施例结构示意图。