[发明专利]一种深度调制金属结构衍射光学元件及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及衍射光学元件设计制造技术领域，尤其涉及一种深度调制金属结构衍射光学元件及其设计方法。

背景技术

衍射光学元件是利用光的衍射现象对光波的波前进行调制，从而实现特定功能的光学元件的总称。这些衍射光学元件通常包括：各种光栅、波带片和光子筛等。它们在微电子光刻技术、波前整形、光通信、聚焦成像以及微细加工等领域获得了广泛的应用。例如，上述衍射光学元件中的波带片是具有自聚焦能力的衍射光学元件，目前的加工工艺可以使其分辨率达到十几纳米，因此，它可以应用到微电子光刻领域。

但是，这些传统的衍射光学元件的衍射效率较低，大大影响了它们的使用范围。

发明内容

为了解决传统衍射光学元件的衍射效率较低的问题，本发明实施例提供了一种深度调制金属结构衍射光学元件的设计方法，利用该方法制作的深度调制金属结构衍射光学元件相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种深度调制金属结构衍射光学元件的设计方法，该方法包括：

根据入射波长λ，选择制作所述深度调制金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料；

在所述金属材料上选择取样点，并根据入射波长确定所述取样点处要嵌入的金属方孔的深度，所述金属方孔的深度在1.5λ～2λ内自由选取；

根据所述取样点的位置坐标及其所对应的金属方孔的深度，利用深度调制金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的深度与所述金属方孔的边长之间的关系，计算所述金属方孔的边长。

优选的，所述深度调制金属结构衍射光学元件表面任意点(x，y)处的相位表达式为：

其中，f为所述深度调制金属结构衍射光学元件的焦距，m为任意整数，选取合适的m值，使所述深度调制金属结构衍射光学元件表面(x，y)处的相位处于0到2π之间。

优选的，所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的深度与所述金属方孔的边长之间的关系为：

其中，λ表示入射光的波长，表示所述取样点处的相位延迟，a表示所述金属方孔的边长，h表示所述金属方孔的深度。

优选的，所述取样点间要保持一定的间距，以确保所选取样点足够多且相邻取样点所对应的金属方孔彼此不发生重叠。

优选的，所述取样点在所述金属材料上的排布方式为规则排布、随机排布或非规则排布。

优选的，所述规则排布为正方形排布，或平方点阵排布，或旋转对称排布或其他形式的规则排布。

优选的，所述基底材料为红外材料或可见光材料。

更优选的，所述红外材料为硅或锗。

更优选的，所述可见光材料为石英或玻璃。

优选的，所述金属材料为金或银。

优选的，所述深度调制金属结构衍射光学元件的设计方法只适用于正入射的情况。

一种深度调制金属结构衍射光学元件，该元件包括：基底材料、位于所述基底材料上表面的金属层以及嵌入所述金属层中的金属方孔；

所述深度调制金属结构衍射光学元件是利用上面所述的深度调制金属结构衍射光学元件的设计方法制作的。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案，是通过在金属材料上嵌入不同大小的金属方孔，来制作深度调制金属结构衍射光学元件：首先，根据入射波长确定所设计的深度调制金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料，然后在所述金属材料上进行取点，并根据入射波长确定所取点处要嵌入的金属方孔的深度，最后结合所述取点的位置坐标及其所对应的金属方孔的深度，利用深度调制金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取点处的相位延迟、所述金属方孔的深度和所述金属方孔的边长之间的关系，计算出所述金属方孔的边长。这样就可以通过合理的设置所述金属方孔的深度和边长，采用在所述金属材料上嵌入大小不同的亚波长金属方孔结构，来实现所述金属材料上取样点的相位延迟，从而通过对所述金属方孔阵列透射电场的相位调制，使每个金属方孔的透射电场在所述深度调制金属结构衍射光学元件的设计焦点处相干叠加，进而增强所述深度调制金属结构衍射光学元件的透射率，使得所述深度调制金属结构衍射光学元件相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

附图说明