[发明专利]宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用

说明书

本发明公开了一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。该元件结构是由单元结构组成的阵列，每个银几何体与其对应的二氧化硅层和银反射层构成单元结构；所述单元结构对可见光有宽带的响应；所述单元结构对偏振不敏感；所述单元结构周期性排布组成阵列可实现宽带的色散。本发明结构尺度小易于集成，对可见光波段色散能力强，色散角度覆盖范围大，可用于光谱仪、分光计等仪器中用于光波频率分析。

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学色散领域，具体涉及一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。

背景技术

传统的光学色散现象是由于光在介质中传播时，传播速度(折射率)随光波频率(波长)而造成的。传统的色散元件有棱镜和光栅，棱镜的色散依靠累计光程差，导致元件尺寸较大；光栅利用衍射现象，产生的色散会存在±1级以及其他级次。对于常见的超表面，由于材料和特定几何结构的特性，这种平面的结构通常对光偏振非常敏感，即对于不同的偏振呈现不同的光学响应。其次，在传统的几何光学和衍射光学的基础上工作的常规光栅，其原理是使光通过周期性排列的阵列以引起相位和/或偏振的快速变化。然而，等离子和衍射光学这两个关键光学领域一直都是独立研究和开发的。因此，对等离子超表面与普通衍射光栅之间的体系结构杂交的研究和调查不足。同样，在纳米光子学领域还不清楚等离子体效应和光栅效应之间的相互作用如何影响新兴的纳米级光学器件的性能。

近年来，基于超表面材料的具有色散功能的元件逐渐被提出，基于广义的折反射定律，对光波相位的调控从光程差的累计过程变成了二维表面的相位梯度改变。通过利用二维表面的相位变化就可以实现对折射或反射角的调控，使色散元件减小到超微尺寸。但仍存在一些亟待解决的问题。例如“Li Z,Palacios E,Butun S,et al.Visible-frequencymetasurfaces for broadband anomalous reflection and high-efficiency spectrumsplitting[J].Nano letters,2015,15(3):1615-1621.”论述了一种表面的梯形结构，可以实现宽带的可见光波段色散现象，可是对偏振态敏感。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构及其应用。

为实现上述目的，本发明提供的方案如下：

第一方面，本发明提供一种宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构，其特征在于：包括介质基底层；所述介质基底层由下部的银反射层和上部二氧化硅层构成；

所述二氧化硅层上设有若干个尺寸相同的银几何体；所述银几何体在介质基底层上在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期进行排布；所述银几何体的结构尺寸均为亚波长尺寸；

每个银几何体与其下方的800*200nm²二氧化硅层和银反射层构成单元结构；所述单元结构对宽带的可见光波段响应，对偏振不敏感；所述单元结构在X方向以800nm，Y方向以200nm为一个周期，进行周期性排布组成阵列可实现宽带的色散。

作为优选方案，所述银几何体为棱台结构。

进一步地，以宽带的色散效果作为优化对象得到优化设计的单元结构；所述银几何体的宽边的宽度为W₁、宽边的高度为H₁、窄边的宽度为W₂和窄边的高度为H₂；所述二氧化硅层的厚度为d；

所述优化参数为：W₁＝100nm、H₁＝30nm、W₂＝30nm、H₂＝100nm，d＝30nm；

所述单元结构的尺寸为长边800nm，短边为200nm。

第二方面，本发明提供一种上述宽带可见光偏振不敏感的超光栅元件结构在实现可见光波段的高性能色散中的应用。