一种分光器以及采用该分光器的分光方法与流程

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种分光器，采用该分光器的分光方法，以及该分光器的应用。

背景技术：

分光器在光学中具有广泛的应用。传统的分光器件采用棱镜或镀膜等方式实现对反射和透射比例调整，从而实现分光。

现有技术中公开一种分光器(参见mingguiweietal.，“broadbandnon-polarizingterahertzbeamsplitterswithvariablesplitratio”appliedphysicsletters111,071101(2017))。该分光器包括设置于硅基底表面的两个梯度方向相反阵列。该两个梯度方向相反阵列分别设置于基底的左右两半上，且每个阵列包括多个梯度方向相同的周期性微结构单元。当太赫兹波从该两个梯度方向相反的阵列的交界处入射时，透射被折射为两束不同方向的波束。然而，该分光器使用时需要将入射的太赫兹波束与两个梯度方向相反的阵列的交界对准，而且分光后得到的波束的光斑小于入射太赫兹波束的光斑。例如，采用圆形太赫兹波照射，且使圆形太赫兹波的圆心与两个梯度方向相反的阵列的交界对准，那么分光后得到的将是两束半圆形波束。

一种采用上述分光器分光的方法，其包括：将一入射光束从该分光器的一侧入射，从另一侧透射。

因此，提供一种使用时无需对准，且在分光后可以得到与入射光的光斑大小相同的折射光束的分光器成为目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种使用时无需对准，且在分光后可以得到与入射光的光斑大小相同的分光光束的分光器。

一种分光器，包括：一透光基底，与该透光基底的表面平行且相互垂直的两个方向分别定义为x方向和y方向；设置于该透光基底表面的多个周期性的第一微结构单元，所述第一微结构单元包括多个沿x方向平行且间隔设置的第一微纳米柱，所述多个第一微纳米柱的高度相同，且所述多个第一微纳米柱的横截面尺寸梯度变化；以及设置于该透光基底表面的多个周期性的第二微结构单元，所述第二微结构单元包括多个沿x方向平行且间隔设置的第二微纳米柱，所述多个第二微纳米柱的高度相同，所述多个第二微纳米柱的横截面尺寸梯度变化，且所述多个第一微纳米柱的横截面尺寸梯度与所述多个第二微纳米柱的横截面尺寸梯度相同但梯度相反；其中，所述多个周期性的第一微结构单元和多个周期性的第二微结构单元在x方向和y方向的至少一个方向交替设置。

相较于现有技术，本发明的分光器用时无需对准，且在分光后可以得到与入射光的光斑大小相同的分光光束。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的分光器的俯视结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的分光器的微结构单元组的立体结构示意图。

图3为图2的微结构单元组的俯视图。

图4为本发明实施例1提供的分光器的分光光路示意图。

图5为本发明实施例1提供的分光器产生的两个分光光束的折射角θ随入射光束波长λ的变化关系。

图6为本发明实施例1提供的分光器对x偏振和y偏振入射光束的透射结果对比。

图7为本发明实施例1采用800纳米的x偏振入射光经过三个不同半径r的铌酸锂圆柱时的电场空间分布。

图8为发明实施例1采用800纳米的x偏振入射光经八个不同半径r下的铌酸锂圆柱的相位延迟和透射率t的数值结果。

图9为发明实施例1采用800纳米的x偏振入射光经过八个不同半径r的铌酸锂圆柱时的电场空间分布。

图10为发明实施例1采用800纳米的x偏振入射光经过两行梯度相反排列的铌酸锂圆柱时的电场空间分布。

图11为发明实施例1对透射光的傅里叶分析得到的x方向上的透射光光强随传播角度的变化。

图12为本发明实施例2提供的分光器的俯视结构示意图。

图13为本发明实施例2提供的分光器的透射率比的变化结果。

图14为本发明实施例3提供的分光器的俯视结构示意图。

图15为本发明实施例3提供的分光器的微纳结构单元在y方向形成错位前后的透射率模拟结果对比。

图16为本发明实施例4提供的分光器的俯视结构示意图。

图17为本发明实施例5提供的分光器的俯视结构示意图。

图18为本发明实施例6提供的分光器的俯视结构示意图。

图19为本发明实施例7提供的分光器的俯视结构示意图。

图20为本发明实施例8提供的分光器的俯视结构示意图。

图21为本发明实施例9提供的分光器的俯视结构示意图。

图22为本发明实施例10提供的分光器的俯视结构示意图。

图23为本发明实施例11提供的分光器的俯视结构示意图。

图24为本发明实施例12提供的采用本发明分光器的光通讯系统结构示意图。

图25为本发明实施例13提供的采用本发明分光器的显示装置的结构示意图。

附图标号说明

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参见图1，本发明实施例1提供的分光器10包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

所述透光基底11用于支撑该多个第一微结构单元120和多个第二微结构单元122。所述透光基底11可以为玻璃基底或石英基底等可见光可以透射的基底，也就可以为其它波段的光可以透射的基底，例如红外光可以透射的硅基底。所述透光基底11的尺寸和形状不限，可以根据需要选择。本实施例中，所述透光基底11为一矩形熔融石英片，厚度500微米，折射率1.46。

请进一步参见图2-3，所述第一微结构单元120包括多个平行且间隔设置的第一微纳米柱。该多个第一微纳米柱排列成一行，且横截面的几何中心位于一第一直线13上，即中心对对齐。所述第二微结构单元122包括多个平行且间隔设置的一第二微纳米柱。该多个第二微纳米柱也排列成一行，且横截面的几何中心位于一与该第一直线13平行且间隔的第二直线14上。本发明定义该第一直线13和第二直线14延伸的方向为x方向，与该x方向垂直且平行于该透光基底11表面的方向为y方向，垂直于该透光基底11表面的方向为z方向。所述多个第一微纳米柱的高度相同。所述多个第二微纳米柱的高度也相同。所述多个第一微纳米柱和第二微纳米柱的高度可以相同，也可以不同。所述多个第一微纳米柱的横截面尺寸梯度变化。所述多个第一微纳米柱和第二微纳米柱可以为圆柱、三棱柱、四棱柱、五棱柱等多面棱柱。即，所述多个第一微纳米柱和第二微纳米柱的截面可以为圆形、三角形、四边形、五边形等多边形。所述多个第二微纳米柱的横截面尺寸也梯度变化。所述多个第一微纳米柱的截面和第二微纳米柱的截面可以相同也可以不同。所述多个第一微纳米柱的横截面的尺寸梯度与所述多个第二微纳米柱的横截面的尺寸梯度可以相同也可以不同，但尺寸梯度相反。所述多个第一微纳米柱或多个第二微纳米柱在x方向的间距d可以为50纳米-500纳米，高度h可以为300纳米-2000纳米，横截面尺寸可以为20纳米-1000纳米。所述横截面尺寸指横截面的最大尺度，例如圆形的直径或矩形的对角线。所述多个第一微纳米柱或多个第二微纳米柱的材料可以为金属、金属氧化物、金属氮化物、非金属氧化物等。所述金属氧化物可以为氧化锌或氧化钛等。所述非金属氧化物可以为二氧化硅、铌酸锂或钽酸锂等。所述多个第一微纳米柱的材料和多个第二微纳米柱的材料可以相同也可不同。所述多个第一微纳米柱的材料和多个第二微纳米柱可以通过光刻、聚焦离子束刻蚀、离子束增强刻蚀、反应离子束刻蚀等微纳加工技术制备。

所述多个第一微结构单元120和多个第二微结构单元122沿着x方向分别各自周期性设置，且沿着y方向交替设置。在y方向，相邻的第一微结构单元120和第二微结构单元122构成一微结构单元组12。所述分光器10实际包括了多个排列成二维阵列的微结构单元组12。该多个微结构单元组12在x方向和y方向分别周期性设置，从而形成一超表面结构。相邻两个微结构单元组12在x方向的间距dx为微纳米柱在x方向的间距d，相邻的第一直线13和第二直线14之间的间距dy相等。每个微结构单元组12在x方向的周期lx可以为1000纳米-6000纳米，在y方向的周期ly可以为300纳米-2000纳米。优选地，对于波长为300纳米-1500纳米的入射光，lx为1100纳米-5500纳米，ly为350纳米-1700纳米。

本实施例中，每个微结构单元组12由两行铌酸锂圆柱构成，两行圆柱序列具有相反的半径变化梯度，每行包括8个铌酸锂圆柱。具体地，所述多个第一微纳米柱的半径r沿着x正方向依次为200纳米，175纳米，150纳米，125纳米，100纳米，75纳米，50纳米和25纳米；所述多个第二微纳米柱的半径r沿着x正方向依次为25纳米，50纳米，75纳米，100纳米，125纳米，150纳米，175纳米和200纳米。所述多个第一微纳米柱和多个第二微纳米柱的高度均为700纳米，x方向的间距为100纳米。每个微结构单元组12在x方向的周期lx为2600纳米，在y方向的周期ly为820纳米。相邻两个微结构单元组12在x方向的间距dx为100纳米，在y方向相邻的第一直线13和第二直线14之间的间距dy均为410纳米。所述两行铌酸锂圆柱的材料吸收系数均为零。

本实施例进一步对该分光器10进行了数值计算模拟。参见图2和图4，当入射光束20垂直从微结构单元组12一侧照射该分光器10时，从该透光基底11一侧的透射光经过该超表面结构折射后分别形成向x正方向偏转的第一分光光束22和向x负方向偏转的第二分光光束24。其中，入射光束20波长λ为700纳米-1200纳米。可以理解，所述入射光束20也可以从该透光基底11一侧入射，结果相同。

图2中，该第一分光光束22和第二分光光束24分别标记为k+和k-。由图2和图4可知，当入射光束20照射在多个微结构单元组12时，每个微结构单元组12会对其对应的子入射光束进行分光，而非简单的将入射光束20劈成两半。因此，这种分光器10使用时，并不会造成光斑形状的变化，分光后的每个分光光束的光斑形状均与入射光束20的光斑形状相同。可以理解，每个微结构单元组12的周期为几微米，因此，在边长一毫米的区域可以设置成千上万个微结构单元组12。如果采用100微米直径的入射光束20照射，可以覆盖成百上千个微结构单元组12。因此，入射光束20照射时无需对准，只要照射在多个微结构单元组12上，无论是哪些微结构单元组12，分光结果均相同。该分光器10在集成光子器件中将会有重要的应用价值。

图5为该第一分光光束22和第二分光光束24的折射角θ随入射光波长λ的变化关系。由图5可见，该第一分光光束22和第二分光光束24的折射角θ大小相同，这是因为本实施例的每个微结构单元组12的第一微结构单元120和第二微结构单元122结构完全相同，只是梯度相反。图6为该第一分光光束22和第二分光光束24的透射率t+和t–的对比结果。其中，图6(a)和图6(b)分别为采用x偏振和y偏振入射光时，第一分光光束22和第二分光光束24的透射率t+和t–，图6(c)为采用x偏振和y偏振入射光的透射率差值tx-ty。由图6可见，无论采用x偏振还是y偏振入射光，该第一分光光束22和第二分光光束24的透射均相同，即分光比为1:1，且透射率差值tx-ty不超过9％。

下面对本实施例的分光器10的分光原理进行分析。入射光束20在超表面结构的铌酸锂圆柱层内发生法珀振荡，不同的圆柱半径r将会造成不同的有效光程，从而使出射光的相位发生变化。图7给出了800纳米的x偏振入射光经过三个不同半径r的铌酸锂圆柱时的电场空间分布，虚线所标出的是相同相位面，表示随着r的增大，结构会对光波造成更大的相位延迟图8给出了八个不同半径下微纳米柱的相位延迟和透射率t的数值结果。由图8可见，虽然透射率保持接近100％，然而相位延迟的变化范围达到2π，从而在将铌酸锂圆柱排列成具有半径梯度的序列时，透射光产生特定的相位梯度。将铌酸锂圆柱排列成周期性的结构，单个周期元由8个半径由小到大(从左至右)的圆柱构成，如图7中结构俯视图所示。此时透射光产生相位梯度由如下广义折射定律公式(1)：可知，在垂直入射情况下，透射光也会有一非零折射角度θt。图9给出了800纳米的x偏振入射光经过八个不同半径r的铌酸锂圆柱时的电场空间分布，由于结构提供一相位梯度，根据广义折射定律，透射光有一非零的折射角度。当一个周期性超表面结构的一个周期元，即微结构单元组12，中具有两行梯度相反排列的铌酸锂圆柱，即两行圆柱具有相反的半径变化梯度时，这两行圆柱序列将提供相反的相位梯度，将光束分向两个传播方向。从而实现分光。图10给出了800纳米的x偏振入射光经过两行梯度相反排列的铌酸锂圆柱时的电场空间分布。图11给出了对透射光的傅里叶分析得到的x方向上的透射光光强随传播角度的变化。对800纳米的x偏振光，两个主要的折射角度为-12.17°和12.17°，分别主要由一个微结构单元组12中的第一行圆柱序列提供和第二行圆柱序列提供。

实施例2

请参见图12，本发明实施例2提供的分光器10a包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例2提供的分光器10a与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述多个第一微结构单元120的材料吸收系数与多个第二微结构单元122的材料吸收系数不同。具体地，本发明实施例2向实施例1的分光器10的多个第一微结构单元120的铌酸锂圆柱中离子注入其它元素，从而定量地增加了第一行铌酸锂圆柱的材料吸收系数κ，而多个第二微结构单元122的铌酸锂圆柱的材料吸收系数保持为零。该注入的元素可以为氢离子、钾离子、氩离子、氮离子、镓离子等。该注入元素的比例不限，可以根据需要选择。

图13为多个第一微结构单元120的材料吸收系数改变时，该第一分光光束22和第二分光光束24的透射率比t+:t–的改变。图13(a)和图13(b)分别为x偏振和y偏振入射光下的tx+:tx–和ty+:ty–的改变结果。由图13可以看出，随着第一行铌酸锂圆柱，即第一微结构单元120，的材料吸收系数κ从0逐渐增大到1，t–将会逐渐减小，从而使分光比t+:t–增大。采用700纳米波长的入射光时，分光比由50:50逐渐增大到超过80:20。然而，随着波长的增大，分光比改变效率将会降低；直到1150纳米波长附近，分光比的变化将对吸收系数不敏感。同样的，若保持第一行铌酸锂圆柱，即第一微结构单元120，的材料吸收系数κ不变，而增加第二行铌酸锂圆柱，即第二微结构单元122，的材料吸收系数κ，分光比将反过来有减小的变化。这是由于材料的吸收系数的增加将会直接导致透射率的减小。因而随着第一行铌酸锂圆柱的材料吸收系数κ逐渐增大，而不改变第二行圆柱的材料吸收系数，此时t–将会逐渐减小而t+不发生改变，从而使分光比t+:t–增大。反之亦然。这种分光比可调的纳米尺度分光器件使用时，无需通过调整入射光20照射位置调整分光比，因此，无论入射光20照射在何处分光器10a的分光比都不变，这在集成光子器件中将会有重要的应用价值。

实施例3

请参见图14，本发明实施例3提供的分光器10b包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例3提供的分光器10b与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122在y方向形成错位，该错位δlx可以为0<δlx<lx。具体地，本发明实施例3中，使实施例1中的第二微结构单元122在x方向移动了lx/2＝1300纳米。除平移外，不改变其他结构参数的数值。可以理解，在本发明实施例3中，每个微结构单元组12中，所述第一微结构单元120的三个较大的圆柱与所述第二微结构单元122的三个较大的圆柱对应设置且梯度相反，所述第一微结构单元120的五个较小的圆柱与所述第二微结构单元122的五个较小的圆柱对应设置且梯度相反。请参见图15，为在y方向形成lx/2错位和没有错位的透射率模拟结果对比。本发明实施例3提供的分光器10b可以进一步减小第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122在y方向的尺寸梯度，从而导致y方向相位梯度减小，从而减小y方向衍射，从而提高分光光束的效率。

实施例4

请参见图16，本发明实施例4提供的分光器10c包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例4提供的分光器10c与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，每个微结构单元组12包括一个第一微结构单元120和两个第二微结构单元122。该一个第一微结构单元120和两个第二微结构单元122平行且间隔设置。本发明实施例4提供的分光器10c中，由于一个第一微结构单元120对应两个第二微结构单元122，因此，在x方向的分光比t+:t–为2:1。如果每个微结构单元组12包括一个第一微结构单元120和n个第二微结构单元122，则在x方向的分光比t+:t–为n:1。如果n太大则会造成分光不均匀，因此，优选1<n<5。

实施例5

请参见图17，本发明实施例5提供的分光器10d包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例5提供的分光器10d与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述第一微结构单元120的多个第一微纳米柱的侧边对齐，所述第二微结构单元122的多个第二微纳米柱的也侧边对齐。侧边对齐是指多个微纳米柱的同一侧边或同一侧边的切线位于同一条直线上。可以理解，该结构可以减小微结构单元组12在y方向的尺寸，使微结构单元组12内部更加紧凑。

实施例6

请参见图18，本发明实施例6提供的分光器10e包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例6提供的分光器10e与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述第一微结构单元120的多个第一微纳米柱为圆柱，所述第二微结构单元122的多个第二微纳米柱为正四棱柱。

实施例7

请参见图19，本发明实施例7提供的分光器10f包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例7提供的分光器10f与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述多个第一微结构单元120和多个第二微结构单元122在x方向交替设置，而在y方向各自周期设置。具体地，所述第一微结构单元120和第二微结构单元122均包括5个微纳米圆柱。本发明实施例7提供的分光器10f可以大大减小y方向的衍射。对于铌酸锂等介质类材料的圆柱，甚至完全消除y方向衍射。

实施例8

请参见图20，本发明实施例8提供的分光器10g包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120和多个周期性的第二微结构单元122。

本发明实施例8提供的分光器10g与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，所述多个第一微结构单元120和多个第二微结构单元122在x方向和y方向均交替设置。具体地，所述第一微结构单元120和第二微结构单元122均包括5个微纳米圆柱。本发明实施例8提供的分光器10g可以进一步提高分光的均匀性。

实施例9

请参见图21，本发明实施例9提供的分光器10h包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120、多个周期性的第二微结构单元122和多个周期性的第三微结构单元124。

本发明实施例9提供的分光器10h与实施例1提供的分光器10的结构基本相同，其区别在于，每个微结构单元12组包括三个微结构单元，且该三个微结构单元的梯度方向不同。具体地，每个微结构单元12中，该第一微结构单元120、第二微结构单元122和第三微结构单元124均从一几何中心向外延伸尺寸逐渐增大，且相邻两个单元的梯度夹角为120度。每个微结构单元12组可以包括n个微结构单元，该n个微结构单元，均从一几何中心向外延伸尺寸逐渐增大，且相邻两个单元的梯度夹角为360/n度，2<n<10。优选地，n<6。可以理解，本发明实施例9提供的分光器10h可以将一束入射光分成折射角相同或不同的三维尺度上的n束分光光束。

实施例10

请参见图22，本发明实施例10提供的分光器10i包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120、多个周期性的第二微结构单元122和多个周期性的第三微结构单元124。

本发明实施例10提供的分光器10i与实施例9提供的分光器10h的结构基本相同，其区别在于，该第一微结构单元120、第二微结构单元122和第三微结构单元124首尾相邻形成一正三角形。当每个微结构单元12组包括n个微结构单元，该n个微结构单元首尾相邻形成一正n边形，相邻两个微结构单元的梯度夹角为360/n度，2<n<10。优选地，n<6。可以理解，本发明实施例10提供的分光器10i与实施例9提供的分光器10h的分光效果基本相同，但是本发明实施例10的结构，可以提高微结构单元的密度。

实施例11

请参见图23，本发明实施例11提供的分光器10j包括：一透光基底11以及设置于该透光基底11表面的多个周期性的第一微结构单元120、多个周期性的第二微结构单元122和多个周期性的第三微结构单元124。

本发明实施例11提供的分光器10j与实施例9提供的分光器10h的结构基本相同，其区别在于，该第一微结构单元120、第二微结构单元122和第三微结构单元124交叉设置，且共用一个微纳米柱。当每个微结构单元12组包括n个微结构单元，该n个微结构单元交叉设置，共用一个微纳米柱，且2<n<10。优选地，n<6。可以理解，优选地，所述共用的微纳米柱为每一个微结构单元中位于长度中间位置的微纳米柱，即，位于共用的微纳米柱两边的微结构单元长度相等。例如，本实施例中，每个微结构单元包括六个微纳米柱，共用的微纳米柱一边为3个半径较小的微纳米柱，另一边为2个半径较大的微纳米柱。可以理解，本发明实施例11提供的分光器10i与实施例9-10提供的分光器的分光效果基本相同，但是本发明实施例11的结构，可以进一步提高分光光束的均匀性。

实施例12

请参见图23，本发明实施例12提供的采用本发明分光器的光通讯系统包括：一光源30，一设置于该光源30出光面上的分光器10，以及一光接收装置32。所述光源30发射的光入射在所述分光器10上，透射后被分成多个分光光束。每个分光光束携带与原光束相同的通讯信号。所述光接收装置32接收该多个分光光束中的一个或多个。可以理解，该光通讯系统也可以针对每一束分光光束设置一个独立的光接收装置32。本发明实施例11的光通讯系统可以采用上述实施例1-11中的任何一种分光器。

所述光源30和光接收装置32的结构不限。本发明实施例12中，所述光源30为激光二极管，所述光接收装置32为光强检测器。可以理解，为了提高传输效率，在每个分光光束的出射方向还可以设置一光波导34或光纤。

实施例13

请参见图24，本发明实施例13提供的采用本发明分光器的显示装置包括：一显示器40，以及一设置于该显示器40出光面上的分光器10。本发明实施例12的显示装置可以采用上述实施例1-11中的任何一种分光器。

所述显示器40可以为电脑显示器，手机显示器或电视显示器等任何显示器。所述显示器40的种类可以为液晶显示器、等离子显示器等。由图24可见，当所述显示器40显示图像时，每一像素的原视角为α，经过分光器10分光后的视角为β，且β>α。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。