[发明专利]一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于微光学领域，特别涉及一种360°全视场角衍射光学元件及其设计实现方法。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOEs)是一类基于衍射原理工作的光学元件。传统衍射光学元件通过在透明的介质材料上刻蚀不同深度的浮雕结构来控制入射光的位相，最终用于制作基于位相调控的光器件。入射光经过衍射光学元件后能够扩展的衍射角度是评价其性能的重要指标。但一般来说，衍射光只能是透射或者反射，也就是两选一的工作模式，因此限制了衍射光实际可到达的范围，在光传感、激光雷达、体感、光显示等领域的应用将十分受限。

发明内容

基于几何位相调制的超颖表面材料是新一代衍射光学元件的热门功能材料，其具有精密的、连续的位相调节功能，再结合亚波长结构所特有的、一些奇异的物理效应(比如电磁共振)，通过优化设计，有望实现一种在透反射空间同时具有衍射光的360°全视场角的新概念衍射光学元件。

本发明的目的，在于提供一种360°全视场角衍射光学元件及其设计方法，其可实现360°衍射角，使得调制后的光场前向和后向同步传输。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种360°全视场角衍射光学元件，包括基底层和蚀刻在基底层工作面上周期排列的若干纳米砖，其工作方式为半反射半透射式，所述基底层可划分为若干与纳米砖相对应的单元结构，所有单元结构长宽高相同，单个单元结构的工作面为正方形，其边长为400nm，所有纳米砖的尺寸相同，其长宽高尺寸分别为200nm×120nm×310nm，且纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度，所述纳米砖以不同朝向角α(i,j)设于对应的单元结构上，所述朝向角为纳米砖长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足单元结构内α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布。

优选的，所述基底层和纳米砖的电介质材料不同。

上述360°全视场角衍射光学元件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定响应主波长λ，进而确定在此波长范围透明的纳米砖和基底层的电介质材料；

步骤2，采用电磁仿真法，优化单元结构的边长C、纳米砖的宽度W、高度H和长度L，使纳米砖共振波长与响应主波长适度偏移，以达到左旋或右旋圆偏光垂直照射纳米砖时，透射和反射的交叉偏振转化效率最高且相等、同向偏振转化效率最低；

步骤3，确定衍射光学元件生成的图案的像素数m和n，其中，m、n分别为长、宽方向上对λ产生图案的像素数，根据设计需求确定；然后根据公式d_x＝mλ/θ_x和d_y＝nλ/θ_y计算主波长为λ时纳米砖的排列周期尺寸，其中，θ_x、θ_y为单元结构长、宽方向上衍射光学元件的投影角度，θ_x、θ_y均为180°；

步骤4，依据公式M＝d_x/C，N＝d_y/C得到单周期内单元结构长、宽方向对λ响应的单元数M和N；

步骤5，采用傅里叶迭代算法，得到对λ响应的单元结构位相分布Φ，从而得到单元结构内纳米砖的朝向角α(i,j)，单元结构内纳米砖的朝向角与位相分布满足α(i,j)＝Φ(i,j)/2，其中i，j表示x和y轴方向上第(i,j)个纳米砖，Φ(i,j)为该纳米砖位相分布；

步骤6，沿基底层单元结构长度和宽度方向上将纳米砖依次排列，得到所述的360°全视场角衍射光学元件。

优选的，确定响应主波长λ＝830nm，基底层的电介质材料选用熔融石英玻璃，纳米砖的电介质材料选用非晶硅。