专利名称：环状辐射型闪耀光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间光互连、二元光学和微光学技术领域，特别是涉及一种新型的光
栅结构。
背景技术：
光栅技术的应用为现代传感、光学聚焦、光束偏转、光谱技术等的发展提供了新的平台，尤其是闪耀光栅的发明，利用闪耀光栅的刻槽面与光栅面呈现一定的夹角，使得单个刻槽面衍射的中央主极大和多槽面间干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大转移到了某一级衍射，使得光栅的衍射效率显著提高。 目前，常规闪耀光栅如专利CN200810069913. 3， CN200410025197. 0等提到的光栅，其特点都是衍射光垂直于刻槽线的方向，可以实现光束传播方向偏转。但上述光栅为直线型光栅，其光栅刻槽齿相互平行。专利US005144483A提到一种圆形闪耀光栅，其光栅刻槽齿呈同心圆分布，它的衍射方向垂直刻槽面，但光束偏转方向指向圆盘的轴心，都与本专利的闪耀光栅的光束偏转方向不同。 在空间光束耦合过程中，有时需要将传输的光束向某一特定方向偏转一角度，如空间光束与环形波导之间的耦合场合，但现今尚无一种光学器件可实现上述功能。专利CN200410013761. 7提到另一种圆形反射型衍射光栅，可以使光束沿入射方向衍射回去，但是，该光栅却无法实现空间光束与环形波导之间的耦合。另外，专利CN01820333. 7提到一种双闪耀光栅可以实现光束的多路偏转，该光栅只是常规线型光栅的改进，在结构上与本专利有本质区别。 现今没有一种环形光栅，其光栅刻槽齿呈圆周、放射状分布，能实现入射光沿垂直于环的半径方向偏转。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提出了一种环状辐射型闪耀光栅，结合闪耀光栅的优点，利用它的高衍射效率以及它独特的光束偏转性能，实现垂直入射空间光束与环形波导耦合，每一个光栅齿衍射的光均垂直于直径，衍射光沿圆周切线方向相应的偏转，达到特定的传光效果。 本发明提出了一种环状辐射型闪耀光栅，包括一个环形光栅基板和其上刻蚀的闪耀光栅齿3、以及位于闪耀光栅齿的刻槽背脊线2 —侧的衍射面4，其特征在于，所述闪耀光栅齿3在环形光栅基板圆周上周期性排列，每个闪耀光栅齿3呈辐射型，其在所述环形光栅基板上表面的投影为扇形，闪耀光栅齿3刻线的最底部均位于平面6上；所述闪耀光栅齿的衍射面4为刻槽背脊线2 —侧较大的平面；垂直于闪耀光栅齿的刻槽背脊线2的直线11、12组成的平面与平面6相交于一条直线13，直线13与衍射面4形成闪耀角14，闪耀角14对于每个闪耀光栅齿是不变的。 每个闪耀光栅齿3在环形光栅基板的内外圆周上r。、巧的端面为圆周面或平面。
所述各闪耀光栅齿3的刻槽背脊线2汇聚到对称轴1，围成虚拟圆周5。 所述闪耀光栅齿3刻线的最底部均位于平面6上，平面6垂直于对称轴1，闪耀光
栅齿3在内环上背脊线围成的虚拟圆周7。 所述闪耀光栅齿3刻线贯穿每个虚拟圆周5和7。 所述环形光栅基板可为内环中空结构。 所述环形光栅基板可为内环非中空结构。 与现有技术相比，本发明专利具备其他圆形或者环形闪耀光栅所不具备的光束偏转性能，而且光栅易制作，具有衍射效率高的特点。在经济效益方面，本发明专利可广泛应用需要光束偏转、光谱分析等场合，特别是旋转光束的偏转。它市场前景好，具有良好的技术转化基础。由于本发明专利是我们自主知识产权，具有广泛的社会效益。
图1为本发明的辐射型闪耀光栅的部分概图。
图2为本发明的沿光栅刻线方向的剖面图。
图3为本发明的闪耀光栅单齿的衍射面。
具体实施例方式
本发明的技术方案的实现原理是在一个环形光栅基板上刻蚀M个闪耀光栅刻槽齿，每个光栅刻槽齿参数相同，在圆周上以2Ji/M rad周期性排列。每个光栅齿在上表面的投影是一个弧度为2 Ji/M rad，半径为从r。到巧的扇形。每个光栅齿在内外圆周上r。、巧的端面为圆周面或平面，因为光束主要在r。至巧的半径上入射，故对边界要求不高。通过设计光栅的闪耀角，可以得到需要的光束偏转角度。基板刻蚀后的上表面轮廓为一个锥面，锥面与各个光栅齿的顶端相接。 该光栅实现的方法有离子束铣削、光刻法、机械微加工技术及其浇注和压印。
下面结合附图对本专利进一步说明。 如图1所示，环形闪耀光栅的对称轴l，各闪耀刻槽背脊线2汇聚到对称轴1。闪耀光栅齿3在一个环形的基板上刻蚀，包括闪耀刻槽背脊线一侧的衍射面4，闪耀刻槽背脊线2所围成的虚拟圆周5。闪耀光栅齿3刻线的最底部均位于平面6上，平面6垂直于对称轴1，闪耀光栅齿3在内环上背脊线围成的虚拟圆周7。 光栅整体为环状，光栅刻线贯穿每个虚拟圆周(即虚拟圆周5、虚拟圆周7)。设环形的内径为r。，对应的光栅常数为d (r。)，外径为巧，对应的光栅常数为d (r》，光栅齿数为M，那么满足2Jir = Md(r)， d(r) = 2 ji r/M，于是得到d (r)/d (r》=r/巧、d (r》/d (r。)=r/r。，故不同半径处的光栅常数不同，为变频光栅。由于环形光栅的口径D较大，且内外半径相差不大，满足D >> d。因此该闪耀光栅的光栅公式可以近似用常规的光栅公式表示，为d(sini+sin e ) = mA ，其中入射角为i，衍射角为9 ， m为衍射光的衍射级。
如图2所示，包括内环上圆周7组成的的中空部分8 ;闪耀光栅齿3的顶端9所围成的切面是一个锥面，但是由于环形光栅的内外半径相差不大，所以锥面可以近似为环形平面。当光线10入射到光栅面时，衍射光线的传播方向垂直于半径，而不是指向1。
衍射面4是一个平面，为了保证闪耀齿的闪耀角不变，由几何关系可以计算出，在半径较大的位置，闪耀光栅的齿高较高，随着半径的减少，齿高会下降，齿高呈连续的变化。 因此整个闪耀光栅的齿的顶端所形成的表面不是一个平面，而是一个锥面，锥面的中心位 于环形光栅的对称轴上。 如图3所示，包括闪耀光栅的衍射面4，直线11、 12垂直于闪耀刻槽背脊线2， 11和 12组成的平面与平面6相交于一条直线13，直线13与平面4的夹角就是闪耀角14。根据
需求的光的衍射角来设定闪耀角，衍射光设定为l级衍射光，光的入射角与闪耀角Y相同， 由光栅公式得d(r) (sinY+sine) = A， e为衍射角。 本发明的具体实施方式
(透射状态)举例，按照图l给出的结构图，刻蚀每一个闪 耀光栅齿，齿的两侧为平面，并且倾角不变。刻蚀后的闪耀光栅，入射光入射到光栅齿上，衍 射光满足闪耀光栅的光栅方程。每一个光栅齿衍射的光均垂直于直径，衍射光沿圆周切线 方向相应的偏转。
权利要求
一种环状辐射型闪耀光栅，包括一个环形光栅基板和其上刻蚀的闪耀光栅齿(3)、以及位于闪耀光栅齿的刻槽背脊线(2)一侧的衍射面(4)，其特征在于，所述闪耀光栅齿(3)在环形光栅基板圆周上周期性排列，每个闪耀光栅齿(3)呈辐射型，其在所述环形光栅基板上表面的投影为扇形，闪耀光栅齿(3)刻线的最底部均位于平面(6)上；所述闪耀光栅齿的衍射面(4)为刻槽背脊线(2)一侧较大的平面；垂直于闪耀光栅齿的刻槽背脊线(2)的直线(11)、(12)组成的平面与平面(6)相交于一条直线(13)，直线(13)与衍射面(4)形成闪耀角(14)，闪耀角(14)对于每个闪耀光栅齿是不变的。
2. 如权利要求l所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，每个闪耀光栅齿(3)在环形 光栅基板的内外圆周上r。、巧的端面为圆周面或平面。
3. 如权利要求l所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，所述各闪耀光栅齿(3)的刻 槽背脊线(2)汇聚到对称轴(l)，围成虚拟圆周(5)。
4. 如权利要求l所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，所述闪耀光栅齿(3)刻线的 最底部均位于平面(6)上，平面(6)垂直于对称轴(l)，闪耀光栅齿(3)在内环上背脊线围 成的虚拟圆周(7)。
5. 如权利要求l所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，所述闪耀光栅齿(3)刻线贯 穿每个虚拟圆周(5)和(7)。
6. 如权利要求4所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，所述环形光栅基板可为内 环中空结构。
7. 如权利要求4所述的环状辐射型闪耀光栅，其特征在于，所述环形光栅基板可为内 环非中空结构。
全文摘要
一种环状辐射型闪耀光栅，包括一个环形光栅基板和其上刻蚀的闪耀光栅齿(3)、以及位于闪耀光栅齿的刻槽背脊线(2)一侧的衍射面(4)，其特征在于，所述闪耀光栅齿(3)在环形光栅基板圆周上周期性排列，每个闪耀光栅齿(3)呈辐射型，其在所述环形光栅基板上表面的投影为扇形，闪耀光栅齿(3)刻线的最底部均位于平面(6)上；所述闪耀光栅齿的衍射面(4)为刻槽背脊线(2)一侧较大的平面；垂直于闪耀光栅齿的刻槽背脊线(2)的直线(11)、(12)组成的平面与平面(6)相交于一条直线(13)，直线(13)与衍射面(4)形成闪耀角(14)，闪耀角(14)对于每个闪耀光栅齿是不变的。与现有技术相比，本发明具备其他圆形或者环形闪耀光栅所不具备的光束偏转性能，而且光栅易制作，具有衍射效率高的特点。在经济效益方面，本发明可广泛应用需要光束偏转、光谱分析等场合，特别是旋转光束的偏转。
文档编号G02B5/18GK101710191SQ20091022845
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者井文才, 张以谟, 张红霞, 胡百泉, 贾大功 申请人:天津大学