CN115201953B - 一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅，包括透明基底、设置于透明基底上的周期性高折射率栅条和设置于高折射率栅条上表面的金属薄膜；高折射率栅条的折射率大于透明基底的折射率；高折射率栅条的周期、高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角、高折射率栅条的折射率、光栅工作短波段的中心波长和光栅工作长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，金属薄膜的厚度满足由趋肤效应得出的定量关系式。本发明的复合反射光栅可以在间隔超过400nm的两个中心波长处同时实现高于90％的衍射效率。

Description

一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅

技术领域

本发明涉及一种衍射光学器件，具体涉及一种能工作在两个不同波段的高衍射效率光栅，属于反射光栅器件技术领域。

背景技术

光栅是一种重要的衍射光学器件，已经被广泛的应用于光谱仪、单色仪、成像***和光通信***中。这些仪器和***对光栅的一个共性技术需求是实现宽光谱范围内的高衍射效率。

尤其是光谱仪对这种共性技术需求特别突出。当光栅应用于光谱仪中时，需要利用光栅的分光功能将同一束入射光中不同波长的光波在空间中分散开来，从而实现对入射光束频谱成分的分析。在测量材料的透射光谱或反射光谱时，光谱仪需要利用光栅对宽光谱范围的入射光波进行分光，以便获得材料的吸收光谱特征。为了获得材料在不同波段的精确吸收光谱特性，光栅需要对不同波长的入射光都具有非常高的衍射效率。然而，由于光栅的衍射效应高度依赖于入射光波的波长，因此同一个光栅对不同波长的入射光的特定衍射级的衍射效率是不同的。一般地，当入射光波的波长与光栅的设计工作中心波长相同时它的特定衍射级的衍射效率最大。随着入射光波的波长偏离光栅的设计工作中心波长越来越远，它的特定衍射级的衍射效率会变得越来越小。例如在可见光谱区，传统闪耀光栅的闪耀级衍射光的衍射效率在入射光的波长偏离光栅的设计工作中心波长大于100nm的条件下会远小于90％。在传统光谱仪中，为了克服光栅的衍射效率随入射光的波长偏离设计的工作波长而显著下降的问题，一般会在同一个光谱仪中装备多个设计工作中心波长不同的光栅。这种安装多个设计工作中心波长不同的光栅的光谱仪在光谱测量中将光谱分为多个波段扫描测量，并用工作中心波长位于某个波段的光栅测量该波段的光谱透射率或反射率。但将多个设计工作中心波长不同的光栅用在同一个光谱仪中，不仅会增大光谱仪的体积而且也会显著增加光谱仪的成本。因此，如何提高同一个光栅在不同波长处的衍射效率是一个需要解决的重要技术问题。尤其是随着小型化、微型化光谱仪的需求越来越大，该问题成了一个需要迫切解决的关键技术问题。

发明内容

本发明提供一种双工作波段复合反射光栅，以同时提高同一个光栅在两个间隔较大的波段中的衍射效率。

本发明的复合反射光栅包括透明基底、高折射率栅条(高折射率栅条是指其折射率高于透明基底的折射率)和金属薄膜，所述的透明基底的上面表面周期性的设有所述的高折射率栅条，所述的高折射率栅条的横截面为直角三角形，且其中一条直角边所在的平面位于透明基底的上表面，所述的高折射率栅条的上表面设有所述的金属薄膜，所述高折射率栅条的折射率大于透明基底的折射率，所述高折射率栅条的周期、高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角、高折射率栅条的折射率、光栅工作短波段的中心波长和光栅工作长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，所述的金属薄膜的厚度满足由趋肤效应得出的定量关系式。

作为优选，上述与所述高折射率栅条的周期有关的定量关系式可表示为：

和

其中P表示高折射率栅条的周期，θ₁表示高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角，λ_Sc表示光栅工作短波段的中心波长，m表示光栅工作短波段光波的衍射级数，λ_Lc表示光栅工作长波段的中心波长，j表示光栅工作长波段光波的衍射级数，n₁表示高折射率栅条的折射率。

作为优选，所述高折射率栅条的高度满足：h＝P tan(θ₁)，其中h表示高折射率栅条的高度。

作为优选，上述与所述金属薄膜的厚度有关的定量关系式可表示为：

和

其中δ_Sc表示金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的趋肤深度，k_Sc表示金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的折射率的虚部，δ_Lc是金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的趋肤深度，k_Lc表示金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的折射率的虚部。

作为优选，所述透明基底的材料包括二氧化硅或三氧化二铝的任意一种。

作为优选，所述高折射率栅条的材料包括三氧化二铝或二氧化钛的任意一种。

作为优选，所述金属薄膜的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。

本发明的复合反射光栅的优化工作条件是：位于光栅工作短波段中的入射光从空气一侧以零度入射角照射光栅平面；位于光栅工作长波段中的入射光从透明基底一侧以零度入射角照射光栅平面。其中，所述高折射率栅条的斜面上反射的光栅工作短波段中心波长的光线与光栅法线的夹角θ_S2满足一个由反射定律得出的关系式：θ_S2＝2θ₁,其中θ₁是高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角。所述光栅对光栅工作短波段中心波长的光衍射产生的第m级衍射光的衍射角θ_Sd满足关系式：θ_Sd＝θ_S2。所述高折射率栅条的周期P需满足一个由光栅工作短波段中心波长对应的光栅衍射方程得出的关系式：Psin(θ_Sd)＝|m|λ_Sc，其中λ_Sc是光栅工作短波段的中心波长。将上述对应于光栅工作短波段中心波长的反射定律关系式代入对应于光栅工作短波段中心波长的光栅衍射方程关系式，得出高折射率栅条的周期的一个关系式：

所述高折射率栅条的斜面上反射的光栅工作长波段中心波长的光线与光栅法线的夹角θ_L2满足一个由反射定律得出的关系式：θ_L2＝2θ₁。所述光栅对光栅工作长波段中心波长的光衍射产生的第j级衍射光的衍射角θ_Ld满足一个由光波在高折射率栅条与透明基底界面的折射定律得出的关系式：n₂sin(θ_Ld)＝n₁sin(2θ₁)，其中n₁是高折射率栅条的折射率，n₂是透明基底的折射率。所述高折射率栅条的周期P还需满足一个由描述光栅工作长波段中心波长的光波在所述光栅下表面衍射的光栅衍射方程得出的关系式：n₂Psin(θ_Ld)＝|j|λ_Lc，其中λ_Lc是光栅工作长波段的中心波长。将上述对应于光栅工作长波段中心波长的反射定律关系式和折射定律关系式代入对应于光栅工作长波段中心波长的光栅衍射方程关系式，得出高折射率栅条的周期的另一个关系式：

所述金属薄膜的厚度满足由趋肤效应得出的金属薄膜的不透光条件：

和

其中δ_Sc是金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的趋肤深度，k_Sc是金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的折射率的虚部，δ_Lc是金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的趋肤深度，k_Lc是金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的折射率的虚部。所述光栅的高折射率栅条的高度h满足由三角形的几何定律得出的关系式：h＝Ptan(θ₁)。

本发明的复合反射光栅可以在具有大间隔宽度的两个中心波长处同时实现高于90％的衍射效率，并且这种高衍射效率对TE光和TM光都能实现。包括透明基底、设置于透明基底上的周期性高折射率栅条和设置于高折射率栅条上表面的金属薄膜；高折射率栅条的折射率大于透明基底的折射率；高折射率栅条的周期、高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角、高折射率栅条的折射率、光栅工作短波段的中心波长和光栅工作长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，金属薄膜的厚度满足由趋肤效应得出的定量关系式。本发明的复合反射光栅可以在间隔超过400nm的两个中心波长处同时实现高于90％的衍射效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的纵向剖面视图。

其中，1-光栅的透明基底，2-高折射率栅条，3-金属薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

如图1-图2所示，本发明的复合反射光栅包括透明基底1、高折射率栅条2和金属薄膜3，所述的透明基底1的上面表面周期性的设有所述的高折射率栅条2，所述的高折射率栅条2的横截面为直角三角形，且其中一条直角边所在的平面位于透明基底1的上表面，所述的高折射率栅条2的上表面设有所述的金属薄膜3，所述高折射率栅条2的折射率大于所述透明基底1的折射率，所述高折射率栅条2的周期、高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角、高折射率栅条2的折射率、光栅工作短波段的中心波长和光栅工作长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，所述的金属薄膜3的厚度满足由趋肤效应得出的定量关系式。

上述与所述高折射率栅条2的周期有关的定量关系式可表示为：

和

其中P表示高折射率栅条2的周期，θ₁表示高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角，λ_Sc表示光栅工作短波段的中心波长，m表示光栅工作短波段光波的衍射级数，λ_Lc表示光栅工作长波段的中心波长，j表示光栅工作长波段光波的衍射级数，n₁表示高折射率栅条2的折射率。所述高折射率栅条2的高度满足：h＝Ptan(θ₁)，其中h表示高折射率栅条2的高度。上述与所述金属薄膜3的厚度有关的定量关系式可表示为：

和

其中δ_Sc表示金属薄膜3在光栅工作短波段的中心波长处的趋肤深度，k_Sc表示金属薄膜3在光栅工作短波段的中心波长处的折射率的虚部，δ_Lc表示金属薄膜3在光栅工作长波段的中心波长处的趋肤深度，k_Lc表示金属薄膜3在光栅工作长波段的中心波长处的折射率的虚部。所述透明基底1的材料包括二氧化硅或三氧化二铝的任意一种。所述高折射率栅条2的材料包括三氧化二铝或二氧化钛的任意一种。所述金属薄膜3的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。

本发明的复合反射光栅的上表面为光栅工作短波段光波的工作表面，其下表面为光栅工作长波段光波的工作表面。如图2所示，A表示光栅工作短波段光波的入射光线，B表示光栅工作短波段光波的衍射光线，C表示光栅工作长波段光波的入射光线，D表示光栅工作长波段光波的衍射光线。

实施例1

透明基底1为二氧化硅玻璃，高折射率栅条2的材料为三氧化二铝，金属薄膜3的材料为银。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝1088nm，光栅下表面的-2级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝620nm，光栅上表面的+2级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝3.5°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝11.9nm和δ_Lc＝11.1nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝10174nm，高折射率栅条2的高度为h＝622nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝60nm。当波长为1088nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-2级衍射光的衍射效率可高达95％；当波长为1088nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-2级衍射光的衍射效率可高达93％；当波长为620nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+2级衍射光的衍射效率可高达95％；当波长为620nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+2级衍射光的衍射效率可高达94％。

实施例2

透明基底1为三氧化二铝晶体，高折射率栅条2的材料为二氧化钛，金属薄膜3的材料为银。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝1940nm，光栅下表面的-3级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝802nm，光栅上表面的+3级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝5°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝11.1nm和δ_Lc＝11.0nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝15338nm，高折射率栅条2的高度为h＝804nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝95nm。当波长为1940nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-3级衍射光的衍射效率可高达91％；当波长为1940nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-3级衍射光的衍射效率可高达91％；当波长为802nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+3级衍射光的衍射效率可高达96％；当波长为802nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+3级衍射光的衍射效率可高达91％。

实施例3

透明基底1为二氧化硅玻璃，高折射率栅条2的材料为三氧化二铝，金属薄膜3的材料为银。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝1550nm，光栅下表面的-3级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝888nm，光栅上表面的+3级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝5°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝11.2nm和δ_Lc＝10.8nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝15336nm，高折射率栅条2的高度为h＝1342nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝55nm。当波长为1550nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-3级衍射光的衍射效率可高达94％；当波长为1550nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-3级衍射光的衍射效率可高达97％；当波长为888nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+3级衍射光的衍射效率可高达95％；当波长为888nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+3级衍射光的衍射效率可高达92％。

实施例4

透明基底1为二氧化硅玻璃，高折射率栅条2的材料为三氧化二铝，金属薄膜3的材料为金。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝1393nm，光栅下表面的-1级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝797nm，光栅上表面的+1级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝2°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝12.5nm和δ_Lc＝11.6nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝11418nm，高折射率栅条2的高度为h＝399nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝60nm。当波长为1393nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达92％；当波长为1393nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达93％；当波长为797nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％；当波长为797nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达93％。

实施例5

透明基底1为二氧化硅玻璃，高折射率栅条2的材料为三氧化二铝，金属薄膜3的材料为铝。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝1940nm，光栅下表面的-1级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝1117nm，光栅上表面的+1级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条3的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝2°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝7.9nm和δ_Lc＝7.8nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝16011nm，高折射率栅条2的高度为h＝559nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝104nm。当波长为1940nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达93％；当波长为1940nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达91％；当波长为1117nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％；当波长为1117nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达91％。

实施例6

透明基底1为二氧化硅玻璃，高折射率栅条2的材料为三氧化二铝，金属薄膜3的材料为铜。光栅工作长波段的中心波长设为λ_Lc＝2480nm，光栅下表面的-1级衍射光选为其工作光波；光栅工作短波段的中心波长设为λ_Sc＝1437nm，光栅上表面的+1级衍射光选为其工作光波；高折射率栅条2的斜面与光栅平面的夹角设为θ₁＝2.5°。在这些参数条件下，金属薄膜3的趋肤深度为δ_Sc＝12.1nm和δ_Lc＝15.0nm。根据发明内容中的参数设计，高折射率栅条2的周期为P＝16486nm，高折射率栅条2的高度为h＝720nm。优选的，金属薄膜3的厚度设为t＝165nm。当波长为2480nm的TE平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达91％；当波长为2480nm的TM平面光波从透明基底1一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的-1级衍射光的衍射效率可高达91％；当波长为1437nm的TE平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达94％；当波长为1437nm的TM平面光波从空气一侧以零度入射角照射该实施例的光栅时，光栅的+1级衍射光的衍射效率可高达93％。

综上所述，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅，其特征在于：包括透明基底、高折射率栅条和金属薄膜，所述的透明基底的上面表面周期性的设有所述的高折射率栅条，所述的高折射率栅条的横截面为直角三角形，且其中一条直角边所在的平面位于透明基底的上表面，所述的高折射率栅条的上表面设有所述的金属薄膜，所述高折射率栅条的折射率大于透明基底的折射率，所述高折射率栅条的周期、高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角、高折射率栅条的折射率、光栅工作短波段的中心波长和光栅工作长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，所述的金属薄膜的厚度满足由趋肤效应得出的定量关系式；

所述高折射率栅条的周期满足：

和

， 其中

表示高折射率栅条的周期，

表示高折射率栅条的斜面与光栅平面的夹角，

表示光栅工作短波段的中心波长，

表示光栅工作短波段光波的衍射级数，

表示光栅工作长波段的中心波长，

表示光栅工作长波段光波的衍射级数，

表示高折射率栅条的折射率；

所述高折射率栅条的高度满足：

，其中

表示高折射率栅条的高度；

所述金属薄膜的厚度满足：

和

，其中

表示金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的趋肤深度，

表示金属薄膜在光栅工作短波段的中心波长处的折射率的虚部，

表示金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的趋肤深度，

表示金属薄膜在光栅工作长波段的中心波长处的折射率的虚部。

2.根据权利要求1所述的一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅，其特征在于：所述透明基底的材料包括二氧化硅或三氧化二铝的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅，其特征在于：所述高折射率栅条的材料包括三氧化二铝或二氧化钛的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种双工作波段高衍射效率复合反射光栅，其特征在于：所述金属薄膜的材料包括银、金、铝或铜的任意一种。

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