[发明专利]一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅

说明书

本发明公开了一种高色散高衍射效率的折射反射混合型光栅，包括带周期性直角三角形沟槽的金属基底、直角三角形沟槽的填充介质和设置于填充介质上表面的子光栅；直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式，本发明的折射反射混合型光栅可以在衍射角大于75度的条件下同时实现高于90％的衍射效率和高于2毫弧度/纳米的角色散本领。

技术领域

本发明涉及色散器件的技术领域，具体涉及一种基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅。

背景技术

色散元件是常用光谱仪器的核心元件。色散元件的功能是将同一束入射光中不同波长的光波在空间中分开。色散元件的色散本领越大，它就能让同一束入射光中固定波长差的两个光波在空间分开的角度越大。光谱仪器的光谱分辨率与色散元件的色散本领成正比。因此，制造高光谱分辨率的光谱仪器需要使用具有高色散本领的色散元件。

光栅是一种常用色散元件。与棱镜的色散本领受到自然界材料的折射率限制不同，光栅的色散本领可以通过合理设计光栅的周期、衍射角和衍射级的级数来提高。因此，光栅更能满足高分辨率光谱仪对色散元件的高色散本领的要求。光栅的色散本领正比于光栅的衍射级的级数和光栅的衍射角，并反比于光栅的周期。根据光栅的色散本领对这些参数的依赖关系，减小光栅的周期或增大光栅的衍射角是提高光栅色散本领的常用方法。对于光栅的某一个非零级的衍射光，同时减小光栅周期和增大光栅的衍射角是增大光栅色散本领的最有效方法。但是对于绝大多数光栅而言，光栅的某一个非零级衍射光的衍射效率会随衍射角的增大而降低。这会使以单个高色散光栅作为色散元件的高分辨率光谱仪只能分辨出高强度入射光的光谱信号，这极大限制了这类光谱仪的应用范围。虽然大体积光谱仪可以通过使用两个或多个低色散本领的光栅在保证一定能量利用率的条件下来提高它的光谱分辨率，但增加光栅数量会进一步增大光谱仪的体积和制造成本。此外，由于体积的限制，通过增加光栅数量来增大光谱仪的光谱分辨率的方法并不适用于微型化的光谱仪。因此，具有高色散本领的光栅的低衍射效率已经成为开发高分辨率光谱仪的障碍。

发明内容

本发明提供一种基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅，以同时提高光栅的色散本领和衍射效率。

本发明的基于折射效应和反射效应的折射反射混合型光栅包括金属基底、填充介质和子光栅，所述的金属基底上周期性的开设有直角三角形沟槽，且其中一条直角边所在的平面位于金属基底的上表面，所述直角三角形沟槽内设有所述填充介质，所述填充介质的上表面周期性的设有所述子光栅，所述直角三角形沟槽的周期、直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角、填充介质的折射率和光栅工作波段的中心波长满足由反射定律、折射定律和光栅衍射方程得出的定量关系式。

作为优选，上述定量关系式可表示为：其中P表示直角三角形沟槽的周期，m表示衍射光的衍射级数，λ_c表示光栅工作波段的中心波长，n₁表示填充介质的折射率，θ₁表示直角三角形沟槽的斜面与光栅平面的夹角。

作为优选，所述直角三角形沟槽的深度满足：h＝Ptan(θ₁)，其中h表示直角三角形沟槽的深度。

作为优选，所述子光栅的周期和厚度均小于λ_c/2。

作为优选，所述金属基底的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。

作为优选，所述填充介质的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。

作为优选，所述子光栅的材料包括二氧化硅、氟化钙或三氧化二铝的任意一种。