專利名稱：一種平面結構閃耀光柵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種閃耀光柵，尤其是可用于光柵光譜儀、精密測量、激光整形等領域的平面結構閃耀光柵。
背景技術：
衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件，但是在普通的衍射光柵中，沒有色散特性的零級衍射光占據(jù)了很大一部分能量，而其他級次尤其是高級次的衍射光強度較弱。為了克服這個問題，利用刻槽的特定形狀形成的反射光柵可以將衍射光集中在某一特定級次的光譜上，這種光柵稱為閃耀光柵。通常在光柵光譜儀中多數(shù)采用閃耀光柵作為分光器件。 閃耀光柵的刻槽呈鋸齒型，刻槽面與光柵面之間有一傾角ε，稱為閃耀角。當某一級衍射光方向與槽面的反射方向一致時，可以將衍射光強極大值從無色散特性的零級光調整到相應的衍射級次上。對于波長為Ab的一級衍射光，可以通過光柵方程d[Sina-Sin(a-20] =Ab來設計閃耀波長和閃耀方向，其中α是入射角，β = α -2 ε是一級衍射光方向，即閃耀方向，Xb是閃耀波長，ε是閃耀角。在閃耀峰值波長上，一級衍射效率可以達到70% 80%。但由于采用立體結構，刻槽面與光柵面要求特定的傾角，加工精度要求很高，工藝繁復。由于制作時的誤差，可能引起某方向上某些不希望出現(xiàn)的波長干涉相長而產(chǎn)生極大值， 使光譜分析復雜化。這大大限制了其應用范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種平面結構閃耀光柵，與現(xiàn)有的鋸齒形閃耀光柵相比，本發(fā)明為平面結構，制作容易，且其能完全抑制零階反射，紅外、太赫茲一級衍射效率高達 100 %，可見光波段金屬有光吸收，但也達到90 %以上。為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明需包含上表面金屬結構層、介質層和金屬底板層，這三層從上至下依次相疊。金屬底板層作為整個結構的支撐底板，可根據(jù)力學性能等的需要選取金屬厚度、 種類，金屬底板上表面需經(jīng)過拋光處理，其表面粗糙度不應大于工作波長的十分之一，是一個理想反射面。介質層為一層均勻的電介質，厚度要求是光學亞波長厚度，通常比光波波長二分之一小。介質層可由金屬底板層的上表面鍍一層均勻介質膜形成，電介質的介電常數(shù)無特殊要求，可以是低介電常數(shù)的氧化硅，也可以是氧化鋁，硅等材料。介質層上表面可通過磁控濺射再鍍一層金屬薄膜，上表面金屬結構層可通過在該層金屬薄膜光刻、電子束刻蝕等方法制作。上表面金屬結構層由周期排列的金屬單元結構組成，可以是一維形式的金屬帶排成光柵結構或者復式光柵結構，也可以是金屬方片，金屬圓片或者金屬同軸環(huán)等結構排列而成的二維陣列。上表面金屬結構層的每一個金屬結構單元與其下方的介質和金屬底板構成了一個光學微腔，與入射光形成磁諧振。整體結構可以表述為一維或者二維排列的復式磁原子鏈或者磁原子表面。諧振單元通過周期結構的布拉格散射機制形成表面諧振態(tài)，此表面諧振態(tài)與入射光強耦合，吸收的入射光能量通過磁原子鏈或者磁原子表面重新分配， 通過-ι階衍射通道和0階反射通道重新輻射到自由空間。當入射光的水平波矢等于周期結構的布里淵區(qū)邊界時，這種耦合效果達到最強，所有的入射光能量將以-ι階的形式反射到自由空間，不考慮金屬的吸收情況下，衍射效率達到100%。為了產(chǎn)生足夠強的布拉格散射，周期結構的周期數(shù)需大于10，周期長度一般等于工作波長的0. 2倍到2倍，具體大小還依賴于結構單元的單元形式。工作波長可由上表面金屬結構層的周期來調節(jié)，周期越長，工作波長越長。閃耀角可由上表面復式周期結構決定，具體可以調節(jié)兩種金屬單元的尺寸比例，或者同種金屬單元的間距比例來控制。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點1、由于本發(fā)明利用一種平面超晶格周期結構來調控入射光的衍射，上表面金屬結構層，介質層和下底板金屬層組成的磁諧振表面態(tài)在布里淵區(qū)邊界能與入射光發(fā)生強耦合，能量通過布拉格散射機制全部轉化為-1階衍射光，衍射效率高，紅外、太赫茲波段能達到100%，可見光波段金屬有強吸收，衍射效率也能達到90%以上。2、本發(fā)明的磁諧振表面態(tài)通過結構參數(shù)控制，因此工作波長可由周期長度控制。3、本發(fā)明通過其磁諧振表面態(tài)與入射光發(fā)生耦合，在布里淵區(qū)邊界耦合效率達到最大，全部能量以-1階衍射波形式反射到自由空間，入射角等于反射角，閃耀角可以通過周期單元的兩種或多種結構尺寸的對比度控制，對比度越高，閃耀角越大。4、本發(fā)明所需的三層結構均為平面結構，加工容易，加工精度高，成本低廉。


圖1是現(xiàn)有閃耀光柵的結構示意圖。圖2A是本發(fā)明平面閃耀光柵的第一實施例結構示意圖。圖2B是本發(fā)明平面閃耀光柵的第一實施例結構的剖面圖。圖2C是本發(fā)明平面閃耀光柵的第一實施例結構的正視圖。圖3A是FDTD仿真的高斯光波斜角度入射到本發(fā)明平面閃耀光柵第一實施例的示意圖。圖:3B是FDTD仿真的高斯光波斜角度入射到光滑金屬表面的示意圖。圖4A是實驗測量的高斯光波入射到本發(fā)明平面結構閃耀光柵第一實施例的反射波角度譜。圖4B是實驗測量的高斯光波入射到光滑金屬表面的反射波角度譜。圖5是本發(fā)明平面閃耀光柵的第二實施例上表面金屬結構層示意圖。圖6是本發(fā)明平面閃耀光柵的第三實施例上表面金屬結構層示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例圖2A、圖2B和圖2C顯示本發(fā)明平面結構閃耀光柵第一實施例的結構示意圖。本發(fā)明平面結構閃耀光柵第一實施例由上表面金屬結構層1、介質層2和金屬底板層3依次相疊而成。這三層均為平面結構，與現(xiàn)有的鋸齒形閃耀光柵(圖1)相比，本發(fā)明閃耀光柵第一實施例為平面結構，制作容易。金屬底板層3作為本發(fā)明閃耀光柵的支撐層和下表面反射層，其大小和厚度可根據(jù)具體要求設計，本發(fā)明閃耀光柵第一實施例的金屬底板選取4mmX4mm大小光滑鋁板，上表面拋光后精確鍍一層厚度為1微米的氧化硅薄膜，介電常數(shù)為2. 1。介質層2上表面可通過磁控濺射等方法再鍍一層金屬薄膜，上表面金屬結構層1可通過在這層金屬光刻、電子束刻蝕等方法制作。本發(fā)明閃耀光柵第一實施例上表面金屬結構層1采取一維復式光柵結構，周期單元由兩塊寬度不一樣的金屬帶組成。圖2B和圖2C顯示了第一實施例的兩個周期的結構示意圖。由這兩個金屬條組成的周期單元在平面上周期排列構成了上表面金屬結構層。周期大小P決定了本發(fā)明閃耀光柵的工作波長，可以根據(jù)具體要求進行設計。本發(fā)明第一實施例的周期大小P為觀微米。其閃耀波長為35. 2微米，大約為周期長度的1. 26倍，兩個金屬條的寬度b和a分別為6微米和20微米。金屬條的間距gl和g2都等于1微米。圖3A顯示了波長為35. 2微米的入射光以45度入射角入射到本發(fā)明閃耀光柵第一實施例的時域有限差分法仿真圖。圖中顯示入射波被反射到了入射光的入射方向達到閃耀光柵作用，與之對應的是圖3B顯示的光滑金屬的鏡面反射結果。圖4A顯示了波長為 35. 2微米的入射平面波入射到本發(fā)明閃耀光柵第一實施例反射角度譜測量圖。圖中顯示， 45度入射波被完全反射到了 -45度的方向上，衍射效率達到100%，與之相對應的光滑金屬表面(圖4B)則形成鏡面反射反射到45度的方向上?？梢姳景l(fā)明第一實施例的優(yōu)點之一是衍射效率高，對于紅外波段，可達到100%以上，對于可見光頻段，可達到90%以上。上述實施例只是本發(fā)明平面結構閃耀光柵的一個較佳實施例，本發(fā)明閃耀光柵還可以有很多其他結構。上表面平面結構層的圖案不限于第一實施例的形狀，圖5、圖6分別顯示了第二、第三實施例的上表面平面結構層的圖案示意圖，在第二實施例中，上表面平面金屬結構層的單個周期由三個相同寬度的金屬條構成，金屬條之間存在兩種不同寬度的間隙。在第三實施例中，上表面平面金屬結構層的結構由二維排列的金屬片組成，每個周期中包含兩種不同大小的金屬片。這兩種金屬片也可替代成長方形的金屬片，或者金屬圓片，或者金屬圓環(huán)的形式。本發(fā)明的平面結構閃耀光柵可以設計成單個線偏振或者兩個偏振各項同性的閃耀光柵，可以被應用在各種需要各向異性或者各向同性的場合。本發(fā)明的光柵可實現(xiàn)100%的一級衍射效率。且其為平面結構、厚度超薄、結構簡單、易于制作。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種平面結構閃耀光柵，其特征在于其包括上表面金屬結構層、介質層和金屬底板層，從上至下依次相疊，上表面金屬結構層的每一個金屬結構單元與其下方的介質和金屬底板構成了一個光學微腔，與入射光形成磁諧振。
2.如權利要求1所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述上表面金屬結構層由周期排列的金屬單元結構組成。
3.如權利要求2所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述上表面金屬結構層的每個周期單元由兩種或兩種以上金屬結構組成，或者由同一種金屬結構組成，金屬結構之間具有相同或者不同的間距。
4.如權利要求3所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述金屬單元結構為一維形式的金屬帶排成光柵結構或者復式光柵結構。
5.如權利要求3所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述金屬單元結構為具有二維陣列形式的金屬方片、金屬圓片或者金屬同軸環(huán)周期結構或者復式格子結構。
6.如權利要求2所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述金屬單元周期結構的周期數(shù)需大于10，周期長度等于工作波長的0. 2倍到2倍。
7.如權利要求1所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述金屬底板上表面需經(jīng)過拋光處理，其表面粗糙度不應大于工作波長的十分之一。
8.如權利要求1所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述介質層為一層均勻的電介質。
9.如權利要求8所述的平面結構閃耀光柵，其特征在于所述介質層的厚度要求是光學亞波長厚度，比光波波長二分之一小。
全文摘要
一種平面結構閃耀光柵，其包括上表面金屬結構層、介質層和金屬底板層，從上至下依次相疊，上表面金屬結構層由周期排列的金屬單元結構組成，其每一個金屬結構單元與其下方的介質和金屬底板構成了一個光學微腔，與入射光形成磁諧振。相鄰光學微腔(及之間的間距)可以相同或者不同。金屬底板上表面需經(jīng)過拋光處理，其表面粗糙度不應大于工作波長的十分之一，介質層為由金屬底板層的上表面鍍一層均勻介質膜形成，介質層上表面通過磁控濺射再鍍一層金屬薄膜，上表面金屬結構層通過在該層金屬薄膜光刻、電子束刻蝕方法制作。本發(fā)明一級衍射效率在紅外、太赫茲波段高達100％，可見光波段金屬有光吸收，也可達到90％以上，且結構簡單，制作方便。
文檔編號B32B15/04GK102236118SQ201010169
公開日2011年11月9日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2010年5月7日
發(fā)明者余興, 張冶文, 曹揚, 李宏強, 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請人:同濟大學