技术领域

本发明涉及光学领域， 尤其涉及一种平面光学元件及其设计方法。 背景技术

传统的光学器件是依靠光传播过程中逐步积累 的相移来实现对光束的整 形。 而通过在一定波长范围内引入相位突变的方法 可以获得对光束进行整形 当光束在具有空间变化相位响应和亚波长间隔 的光学谐振阵列的分界面传播 时， 可以研究光传播过程中的这种相位不连续性。 通过设计合适的光学谐振 器模型， 可以获得光束沿分界面等振幅的条件并得到一 个常数相位梯度。 光 学谐振器中， 出射光与入射光之间的相移跨越共振适当地进 行变化。 通过空 间调整微阵列中谐振器的几何形状从而调制它 的频率响应。 通过任意方式设 计沿分界面的相位不连续性可以重置反射光束 和折射光束的波前形状。 所用 谐振器可选择电磁腔、 纳米颗粒簇和等离子天线。 其中等离子天线具有很大 的光学可调谐性， 并且易于制作成纳米厚度的平板天线， 棒状天线的特性使 其成为良好的电导体。

基于此机制， 在硅基底上制作由金属天线组成的具有沿界面 的线性相位 变化的光学微阵列， 由此可观察到反常反射和反常折射现象， 这符合由费尔 马原理推导得来的产生法则。 可见， 利用相位的不连续性为光束整形提供了 极大的灵活性， 可以对光束进行预期的整形效果。

目前， 利用相位不连续性对光束整形的应用还艮局限 ， 尤其在设计光学 元件方面， 有待于进一步地研究。 发明内容

本发明的目的是利用相位的不连续性设计出特 定结构的光学元件， 实现 预期的光束整形效果。

为实现上述目的， 本发明实施例提供了一种平面光学元件， 用于全波段 的光束整形。 该平面光学元件包括：

基底；

金属膜， 设置在所述基底上， 所述金属膜具有二维天线微阵列结构， 所 述二维天线微阵列包含多个天线阵元。

优选地， 所述平面光学元件用于实现球透镜、 球面镜、 柱透镜或柱面镜 的光束整形。

进一步优选地， 所述天线阵元为狭缝， 相邻的所述狭缝之间为所述良导 体； 或者所述天线阵元由所述良导体制成， 相邻的所述天线阵元之间为空气。

优选地， 所述天线阵元为 "V" 字型结构或具有开口的矩形结构。

本发明实施例还提供了一种平面光学元件的设 计方法。 该方法包括： 设 计一组具有确定离散相位的结构； 以所述一组具有确定离散相位的结构为阵 元， 设计二维天线微阵列； 由基底和具有所述二维天线微阵列结构的金属 膜 组成所述平面光学元件。

优选地， 所述设计一组具有确定离散相位的结构的步骤 具体为， 根据入 射光的波长、 偏振方向和所述天线的固定结构参数设计所述 天线的可变结构 参数， 并根据预设辐射场的特性挑选出适合的结构。

优选地， 所述一组具有确定离散相位的结构激发的辐射 场具有与入射光 的偏振方向垂直的偏振态， 具有等振幅和等相位间隔。

优选地， 以所述一组具有确定离散相位的结构为阵元， 设计二维天线微 阵列的步骤具体为， 预设所述平面光学元件的类型和相关参数， 预置所述二 维天线微阵列的形状和大小， 设计所述二维天线微阵列的排布。 和偏振态的光束入射到该平面衍射光学元件上 时所激发的具有垂直偏振态的 辐射场的振幅和相位， 从而达到对光束进行预期的整形的目的， 是一种很可 靠的设计方法。 本发明实施例设计的平面光学元件， 与预期参数相差甚微， 可以实现理想的光束整形结果， 填补了现有光学元件所不能实现的光束整形 效果的空缺。 附图说明

图 1为本发明实施例的平面光学元件的部分结构� �意图；

图 2为本发明实施例的 "V" 字型天线阵元激发电场的示意图； 图 3为本发明另一实施例的具有开口的矩形结构� �天线阵元激发电场的 示意图；

图 4为本发明实施例的平面光学元件激发的垂直� �振的透射场的瞬态振 幅嵛。 具体实施方式

下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案 #丈进一步的详细描述。 本发明实施例设计出了具有特定结构的天线微 阵列的平面衍射光学元 件， 实现了理想的光束整形效果。

图 1 是本发明实施例的平面光学元件的部分结构示 意图。 该平面光学元 件可用于实现全波段的球透镜、 球面镜、 柱透镜、 柱面镜以及其他类型的光 学元件的光束整形效果。 如图所示， 该平面光学元件包括： 基底 11和金属膜 12。 基底 11 的材料釆用对所用光波段具有高透过率的材料 ， 厚度范围为 300μη！〜 1000μηι。 金属膜 12可釆用良导体， 如金、 银、 铜、 铝等贵金属， 厚 度范围为 100nm〜1000nm, 设置在基底 11上， 与基底 11之间形成分界面。金 属膜 12上设置有二维天线微阵列 13 , 可以是方形阵列、 圆形阵列或其他形状 的阵列， 阵列的大小具体根据入射光斑的大小来设定。 该二维天线微阵列 13 包含 N个天线阵元， 且^ 16。 相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长。 天线阵元可以是狭缝， 此时相邻阵元之间是良导体； 天线阵元也可以由良导 体制成， 此时相邻阵元之间是空气。 当阵元的结构及阵列的排布都相同时， 分别包含这两种形式的天线阵元的两种对应天 线阵列， 称其中一种为另一种 的反结构天线阵列。 每一个天线阵元的结构可以是 "V" 字型、 具有开口的矩 形以及其他结构。 本发明实施例的天线阵元为 "V" 字型狭缝结构， 包括两个 等长的臂 131和 132, 臂的长度为 大小范围是 70μη！〜 180μηι, 臂的宽度为 /, 大小范围是 4μηι 〜6μηι; 臂 131的其中一端和臂 132的其中一端相连接， 并且使得两个臂之间形成一定的夹角△, △的大小范围是 30°〜180°。

优选地，本发明实施例中 ,基底 11的材料釆用硅半导体，厚度为 500μηι; 金属膜 12釆用金材质， 厚度为 200nm; 金属膜 12具有的二维天线阵列 13的 阵列大小为 40*40; 所有 "V" 字型天线阵元的臂宽 /都为 5μηι, 臂长 /ζ和与 之对应的夹角△包含 4种不同的取值； 相邻天线阵元之间的间隔为 200μηι。

本发明实施例的平面光学元件基于由反常反射 和反常折射现象产生的相 位不连续理论， 当具有特定波长和特定偏振态的光束入射到该 平面光学元件 上时， 可激发具有垂直偏振态、 特定振幅和特定相位的辐射场。 具体理论分 析如下所述：

图 2是本发明实施例的 "V"字型天线阵元激发电场的示意图。 如图中所 示， 本发明实施例定义了两种单元矢量来描述该 "V" 字型天线的方向， 分别 为矢量 和矢量 其中， 矢量 的方向沿天线的对称轴方向， 矢量 的方向 垂直于矢量 ^的方向， 即沿垂直于该天线对称轴的方向。假设一束光 沿一定角 度透过基底 11入射到分界面上， 发生折射或反射之后辐射出来。 该入射光可 以是任意波长的光， 如可见光、 红外光、 太赫兹光等。 本发明实施例中， 入 射光釆用波长为 400μηι的太赫兹波。又如图中所示， E _inc 为入射光的偏振方向， E _mc 所示方向与单元矢量 ^？和 之间具有一定的夹角， 因此可以将其沿单元矢 量 和 分解为两个偏振方向的电场分量 E p E _a , 这样由该 "V"形天线激发 的辐射场可提供两种模式的电场， 分别称为对称模式和反对称模式。 其中， 对称模式由入射电场中沿 方向的电场分量 所激发， 反对称模式由入射电 场中沿 方向的电场分量 E 激发。 再如图中箭头方向所示， 在所激发的对 称模式的电场中， 电流沿着 "V" 字型天线的两个臂， 由两个臂的连接端分别 向两个臂的另一端流动， 每一个臂上的电流分布近似于一个单个的长度 为 h 的直天线产生的电流， 因此一阶天线谐振发生的位置在 h=^ _ef 2处， 其中， _eff 是入射光的有效波长。 在反对称模式的电场中， 电流沿着 "V" 字型天线的其 中一个臂向另一个臂流动， 方向与 E _a 的方向一致， 电流分布近似于一个长度 为 2h的直天线产生的电流， 并且一阶天线振荡发生的位置在 2h=^ _ef 2处。

图 3是本发明另一实施例的具有开口的矩形结构� �天线阵元激发电场的 并且矢量 的方向沿天线的对称轴方向， 矢量 的方向垂直于矢量 的方向。 当如图中所示的偏振光沿一定角度入射到该天 线阵元上时， 激发的辐射场同 样具有对称模式与反对称模式两种电场。 对称模式的电场中， 其电流沿着如 图中箭头所示方向由该矩形天线的底部从两侧 流向开口处， 假设该矩形天线 的周长为 2h, 则天线每一侧的电流分布近似于一个单个的长 度为 h的直天线 产生的电流， 一阶天线谐振发生的位置在 h^ _ef 2处。 反对称模式的电场中， 电流由天线开口的一端沿矩形天线的边绕天线 一周， 流向天线开口的另一端， 电流公布近似于一个长度为 2h的直天线产生的电流， 一阶天线振荡发生的位 置在 2h _ef 2处。

如上所述， 当入射光的偏振是沿着单元矢量 或 的方向时， 由每个天线 阵元激发的辐射场的偏振方向与入射光的偏振 方向相同， 即当入射光的偏振 沿单元矢量 的方向时， 可激发出对称模式的电场， 当入射光的偏振方向沿单 元矢量 的方向时，可激发出反对称模式的电场； 当入射光的偏振为除上述两 种偏振情况以外的其他任意方向时， 这两种模式的电场都可以受到激发， 此 时， 由于激发这两种模式所需的谐振条件不同， 其振幅和相位是不同的。 优选地， 本发明的上述实施例中， 入射光的偏振方向与天线阵元的单元 矢量 ^和 之间的夹角均为 45°,这样入射光沿单元矢量 ^和 方向的电场分量 是相等的， 分别激发的对称模式和反对称模式的辐射场就 是相等的。

又如图 1 所示的本发明实施例的平面光学元件的二维天 线微阵列中， 包 含了 4种不同夹角和臂长的 "V" 字型天线阵元。 这 4种 "V" 字型天线和它 的 4种镜面结构的 "V" 字型天线可激发出 8种对应的辐射场， 其振幅相等， 相位各差 π /4。此处的镜面结构是指以垂直于入射光偏振� ��向的面为镜面的对 称结构。 这 8种结构的 "V" 字型天线选自几个谐振峰边缘对应的结构， 可激 发等振幅且为较大振幅的辐射场， 从而得到高强度的辐射场。

本发明上述实施例中的二维天线微阵列可选择 不同的阵列形状， 比如方 形阵列圆形阵列等等。 再如图 1 所示的平面光学元件， 其具有的二维天线微 阵列为方形阵列， 包含 40*40个 "V" 字型天线， 每一个均是选自于上述的 8 种不同结构的 V" 字型天线中的一种。 这 40*40个 "V" 字型天线按照图中所 示的特定组合进行排布， 相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长， 如本 实施例中为 200μηι, —方面有利于每一个天线阵元可以有效激发辐 射场， 并 且可以避免产生光栅衍射。 另一方面， 可以避免相邻天线阵元产生较强的近 辐射场之间发生耦合而干扰预期辐射场的振幅 和相位。

如前所述， 当图 1 中所示实施例中的天线阵元是狭缝， 相邻阵元之间是 良导体时， 产生的是透射场； 当天线阵元由良导体制成， 相邻阵元之间是空 气时， 产生的是反射场。 本发明实施例的天线阵元是 "V" 字型狭缝， 可实现 柱透镜的光束整形效果。

图 4是本发明实施例的平面光学元件激发的垂直� �振的透射场的瞬态振 幅谱。 该瞬态振幅傳对应图 1所示的具有 "V" 字型天线的平面光学元件激发 的辐射场。 如图所示， Ζ方向表示光传播方向， X方向表示二维天线阵列的列 排布方向。 区域 Α内的透射场显示了该平面光学元件基底中的� ��直偏振的电 场的振幅分布， 区域 B内的透射场显示了透过该平面光学元件的反� �折射场。 区域 A的透射场是由于光在基底和金属表面发生多� �反射形成， 并且由于金 属面积较大， 透过该平面光学元件的光很少， 所以区域 A内的辐射场的振幅 较区域 B大很多。 分析区域 B内的透射场的振幅分布， 振幅最大值出现在点 F处， 且分别沿 Z方向和 X方向向点 F的四周逐渐变小， 说明光在传播过程 中， 逐渐会聚， 且 F就是焦点， 点 F到基底的距离是焦距， 为 1.8mm。 因为 该平面光学元件的二维阵列沿行排布方向的阵 元结构是相同的， 所以透射场 的振幅沿这个方向是不变的。 说明该平面光学元件对光束具有柱透镜的会聚 整形作用， 其对应焦距为 1.8mm, 直径和高度等于二维天线阵列的宽度和高 度， 均为 8mm, 焦深为 0.13mm。 金属膜具有的天线阵列为上述实施例的 "V"字型天线阵列的反结构天线阵列， 即天线阵元是良导体， 相邻阵元之间是空气。 该平面光学元件可产生垂直偏 振的反射场， 实现柱面镜的光束整形效果， 其对应焦距、 直径、 高度和焦深 均与上述实施例的柱透镜的对应参数相同。

本发明上述实施例的平面光学元件， 其具有的 "V"字型天线微阵列或具 有开口的矩形结构的天线微阵列激发的辐射场 与 "一" 字型天线阵列相比， 不仅具有更大的相移范围， 为 360°, 而且具有比其更大的振幅； 另外， 该平 面衍射光学元件可以产生垂直于入射光偏振方 向的光， 并对其进行波面整形， 填补了现有光学元件所不能实现的光束整形效 果的空缺。

如上所述， 利用特定结构的天线激发的模的特性， 可以设计单个天线的 结构和二维天线微阵列， 使其产生具有特定的振幅、 相位以及偏振态的辐射 场， 即可以通过调制天线阵元的结构参数对所激发 辐射场的振幅和相位进行 透镜或柱面镜以及其他类型的光学元件的光束 整形效果。 本发明实施例的方 法通过调制 "V" 字形天线两个臂的长度 h和夹角△, 进而调制由特定波长和 偏振态的光束入射到该平面光学元件上所激发 的具有垂直偏振态的辐射场的 振幅和相位。 该设计方法具体包括以下步骤：

401、 设计一组具有确定离散相位的天线结构。 包括：

首先， 给定一个入射光的波长和偏振方向， 并确定所要设计的天线阵元 的常数结构参数， 比如天线的宽度， 接着改变其他可变结构参数中的一个或 多个， 通过合适的算法去设计其余可变参数的数值， 进而得到多组结构参数， 对应多个不同结构的天线。 天线阵元的结构可以是 "V" 字型、 具有开口的矩 形以及其他结构。

本发明实施例中， 入射光为太赫兹光， 波长为 400μηι, 偏振方向与所定 "V"字型天线阵元的单元矢量 和 的夹角均为 45°;设 线结构为" V" 字型结构， 确定其两个臂的臂宽值为 5μηι, 选择一组合适的两臂之间夹角的 数值， 作为预期 "V" 字型结构的夹角； 最后设计出多个臂长的数值， 得到多 个 "V" 字型结构的天线。

其次， 根据预设辐射场的特性挑选出适合的结构， 具体为， 计算所得多 个天线的辐射场， 找出谐振峰附近的振幅相等、 具有确定离散相位的一组天 线结构， 作为预期二维天线微阵列的阵元。

本发明实施例中， 挑选的原则是激发的辐射场的振幅相等， 相位各差 π /4, 结果得到 4种不同的 "V" 字型天线结构， 分别具有不同的夹角和臂长。 由这 4种 "V"字型天线和它的 4种镜面结构的天线构成一组具有离散相位的 "V" 字型天线， 以此作为下一步骤中二维天线微阵列的阵元。 此处的镜面结 构是指以垂直于入射光偏振方向的面为镜面的 对称结构。

402、 以步骤 401设计的一组具有确定离散相位的结构为阵元 ， 设计二维 天线微阵列。 包括： 预置所要设计的平面衍射光学元件的相关参数 ， 以此为 目标， 由步骤 401 中所得结果中的多个天线排列出预设形状和大 小的二维天 线微阵列。 预设二维天线微阵列可以是方形阵列、 圆形阵列或其他形状的阵 列。

本发明实施例中， 预设所述平面衍射光学元件为柱透镜， 预置该柱透镜 的焦距为 2mm、 预置二维天线微阵列为方形阵列， 行列数各为 40, 行列间距 为 200μηι, 以此为目标， 由步骤 401中得到的 8个 "V" 字型天线排列出一个 二维天线微阵列。

403、 由基底和具有步骤 402设计的二维天线微阵列结构的金属膜组成平 面光学元件。 包括： 选定基底的材料、 厚度， 选定金属膜的材料、 厚度， 和 步骤 402得到的二维天线阵列共同构成平面光学元件 。 该平面衍射光学元件 可用于实现全波段的球透镜、 球面镜、 柱透镜或柱面镜的光束整形效果， 其 中天线阵元可以是狭缝、 相邻所述天线阵元之间是良导体， 或者天线阵元由 良导体制成， 相邻天线阵元之间是空气。 基底的材料釆用对所用光波段透明 的材料； 金属膜的材料釆用金、 银、 铜和铝等贵金属。

如图 1 中所示， 本发明实施例中， 设定基底的材料为硅半导体， 厚度为 500μηι; 金属膜釆用金材料， 厚度为 200nm。 由该基底和具有步骤 402中得到 的二维天线微阵列结构的金属膜构成了具有凸 透镜作用的平面光学元件， 其 焦距为 1.8mm, 与预设的焦距相差 0.2mm, 在允许误差范围内。 本发明实施 例的方法， 还可以通过进一步优化算法， 得到更接近预期的结果。

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和偏振态的光束入射到该平面衍射光学元件 上时所激发的具有垂直偏振态的 辐射场的振幅和相位， 从而达到对光束进行预期的整形的目的， 是一种很可 靠的设计方法。 本发明实施例设计的平面衍射光学元件， 与预期参数相差甚 微， 可以实现理想的光束整形结果， 填补了现有光学元件所不能实现的光束 整形效果的空缺。

以上所述的具体实施方式， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已， 并不用于限定本发明的保护范围， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做 的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。