阅读说明：本技术 基于超构表面的大角度分光系统 (Large-angle optical splitting system based on super-structured surface ) 是由 王漱明 李琳 马翰章 袁泉 冯新阳 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超构表面的大角度分光系统,包括依次放置的线偏振片、四分之一波片、大角度色散超构表面透射板、探测器,探测器中包括感光芯片。环境光线经过线偏振片、四分之一波片调节形成圆偏振光,大角度色散超构表面透射板对入射光线进行色散,同时调节光的传播方向,感光芯片接收分光后的光场信号,探测器对其精确记录,结合数字图像算法重构形成准确光谱。本发明的基于超构表面的大角度分光系统实现了在中红外光波段具有连续分光功能的新型集成分光设计,在大大缩小分光光谱仪所需体积的情况下,能够高效地得到宽波段连续分光的光谱图像,在实际场景的应用中具有极大的优势,装置简单,体积小巧,具有高集成度和高精度的特点。(The invention discloses a large-angle optical splitting system based on a super-structured surface, which comprises a linear polarizer, a quarter-wave plate, a large-angle dispersion super-structured surface transmission plate and a detector which are sequentially arranged, wherein the detector comprises a photosensitive chip. Ambient light is adjusted through a linear polarizer and a quarter wave plate to form circularly polarized light, a large-angle dispersion super-structure surface transmission plate is used for dispersing incident light, the propagation direction of the light is adjusted, a light field signal after light splitting is received by a light sensing chip, a detector is used for accurately recording the light field signal, and an accurate spectrum is formed by combining digital image algorithm reconstruction. The large-angle optical splitting system based on the super-structure surface realizes a novel integrated light splitting design with a continuous light splitting function in a middle infrared light band, can efficiently obtain a spectral image of broadband continuous light splitting under the condition of greatly reducing the required volume of the optical splitting spectrometer, has great advantages in application of actual scenes, and has the characteristics of simple device, small volume, high integration level and high precision.)

基于超构表面的大角度分光系统

技术领域

本发明属于光谱分光的技术领域，涉及一种基于超构表面结构的透射型大角度色散的分光器件设计。

背景技术

当我们进行光谱学研究时，任何波长范围如果想得到单色光的话，都需要一个仪器来实现分光。分光是将波长范围很宽的复合光分散开，形成许多波长范围狭小的“单色光”的过程，将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器称为光谱仪，一般由棱镜或衍射光栅等构成，按照输出谱线的种类，可分为单色仪和多色仪两种。光谱仪应用很广，在环境检测、食品、成分检测、色度计量、及生物医学等领域都有很广的应用。传统光谱仪，往往具有许多局限性，如分光角度小、反馈信息少、无法连续分光等问题。因此，近年来对于提高光谱仪分光功能的需求，受到研究人员的极大重视。本发明采用相位拆分的思想，对超构表面进行特殊设计，实现宽波段的超构表面连续分光设计。

超构表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，可灵活调控光场相位、偏振及强度等性质。通过超表面可实现负折射、汇聚成像、传播波向表面波转化等新颖的物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。本发明用到的介质硅结构，色散能力强，分辨率更高，体积微小，能够很好的应用于分光光谱仪的设计中。

发明内容

发明目的：本发明提供基于超构表面结构在中红外波段实现分光的新方法设计，解决了传统的光栅无法实现的大角度分光问题，通过引入超构表面的相位拆分原理，在中红外波段实现宽带连续大角度色散。利用紧凑的平面超构透射板，实现中红外波段大角度分光的设计，为实现便携式、高分辨的分光光谱仪的设计提供了新方法。

技术方案：

一种基于超构表面的大角度分光系统，包括依次放置的线偏振片、四分之一波片、大角度色散超构表面透射板、探测器；所述探测器中包括感光芯片，环境光线经过线偏振片、四分之一波片调节形成圆偏振光，大角度色散超构表面透射板对入射光线进行色散，同时调节光的传播方向，感光芯片接收分光后的光场信号，探测器对其精确记录，结合数字图像算法重构形成准确光谱。

进一步地，大角度色散的超构表面透射板应用结合相位分解方法，将相位分解为频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位，使用几何相位实现基础相位，使用共振相位实现补偿相位，利用超构表面特殊设计，实现宽波段大角度连续分光的平板结构。

进一步地，根据超构表面大角度色散功能的要求，超构表面的设计原理如下所示：

步骤1，根据透射基本原理，增加平移相位；

其中，x是平板任意点的坐标表示，θ是入射光的透射角，λ是入射光的波长，

是平移相位，(x,λ)是入射波长为λ、坐标x处的相位分布表示，

表示将式(1)平移

后的相位分布，λ_min和λ_max分别代表工作波段的最小波长与最大波长，τ为单元结构在工作波段的最小相位补偿；

步骤2，将透射平板的相位拆分成基础相位和补偿相位，

是与波长无关的基础相位，对应衍射效应，使用与波长无关的几何相位实现；

是与波长相关的补偿相位，对应于色差效应，使用与波长相关的共振相位实现；

步骤3，根据补偿相位选择不同尺寸的单元结构，将其放置在不同位置拼接得到集成共振单元，

步骤4，在圆偏振光的入射下，旋转单元结构，可以在不同于入射圆偏振的另一个圆偏振散射光处，得到两倍于转角的额外相位，这个相位与单元结构的几何对称性相关，即几何相位。

进一步地，单元结构的尺寸与补偿相位的对应关系如下表所示：

。

进一步地，大角度色散的超构透射板的单元结构材料为高折射率透明材料，如Si、TiO₂、GaN、Ge。

进一步地，基于紧凑的平面超构表面设计原理，利用同样的原理和操作步骤，选取不同的单元结构材料，实现可见光，近红外，中红外，甚至太赫兹波段的大角度分光。有益效果：本发明基于超构表面结构实现在中红外波段连续消色差的大角度分光设计，实现了在中红外光波段具有连续分光功能的新型集成分光设计，在大大缩小分光光谱仪所需体积的情况下，能够高效地得到宽波段连续分光的光谱图像，在实际场景的应用中具有极大的优势。装置简单，体积小巧，具有高集成度和高精度，在高光谱成像仪，光信号处理器，干涉仪，和计算光学系统等方面都具有广阔的应用前景。分光原理可以推广至其他波段，比如可见光，近红外，中红外，甚至太赫兹波段。本发明所需的超构透射板的体积超薄，与微电子制备工艺兼容，无需通过加工复杂曲面和粘合不同色散透镜来实现，工艺复杂度低，工序简单，成本也更加低廉，适合大规模生产，便于与成像CCD芯片集成。

附图说明

图1(a)为只考虑几何相位超构表面在中红外波段正常色散时不同波长光入射时的透射角度远场分布图，图1(b)为几何相位和共振相位结合超构表面在中红外波段大角度色散时的透射角度远场分布图；

图2(a)为对应770°相位补偿的单元件的相位及效率随波长的变化分布，图2(b)为该单元结构内部的场效应分布；

图3为基于超构表面的大角度分光系统的光路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明公开了一种基于超构表面的大角度分光系统，包括依次放置的线偏振片1、四分之一波片2、大角度色散超构表面透射板3、探测器4；所述探测器4中包括感光芯片，环境光线经过线偏振片1、四分之一波片2调节形成圆偏振光，大角度色散超构表面透射板3对入射光线进行色散，同时调节光的传播方向，感光芯片接收分光后的光场信号，探测器对其精确记录，结合数字图像算法重构形成准确光谱。由硅微纳米结构在蓝宝石(三氧化二铝)衬底上规则排布组成透射式分光器件，在中红外波段(8微米-12微米)宽带右旋偏振光入射的情况下，实现不同波长光束折射角度不同，从而有效实现高分辨率的分光效果。由激光器产生的光源通过线偏振片、四分之一波片调节成圆偏振光，经过超构分光平板的分光作用，通过感应端接收以及后期的图像处理得到清晰的光谱图像。

按照对相位调节的不同设计原理，超构表面可以分为几何相位超构表面和共振型超构表面，针对这些不同功能设计，超构表面将实现对光束的不同强度或相位分布调控。以几何相位超构表面为例，它是指仅利用一种天线结构，一般以细长的柱状结构或者长方体的结构为主，通过改变其转角来实现全范围的相位调制的超构表面，几何相位是在光偏振中的一种Pancharatnam-Berry相位。几何相位超构单元转动角度θ，由于出射光的两个线偏振光产生π的相位延时，左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光，与入射光相比产生了

的相位差。因此只要在0-π内转动超构单元，就可以得到0-2π的全相位调制。共振型超构表面与之不同的是通过单元结构内部产生的电磁共振实现对全光范围的色差调控。不同尺寸的结构单元，提供的相位补偿是不同的。通过筛选合适的超构单元，可以满足平板结构不同位置处对相位的需求。

要实现超构表面的宽波段大角度色散，需要同时结合几何相位原理和共振相位原理进行设计。将平板色散所需要的相位分解成两部分，即：频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位。通过旋转超构单元的角度实现最大波长处的相位调控，即利用几何相位实现单一波长的光学透射；通过选取不同大小共振结构实现不同波长之间的相位调控，即利用共振相位增大中红外波长范围内的色差，两种设计结合从而实现宽波段大角度分光设计。

大角度色散超构表面透射板(3)结构是基于超构表面的几何相位和共振相位原理相结合设计而成的，体积超薄，可实现宽波段连续大角度分光。透射平板的总长度是84μm，可实现透射角度从25°-47.6°的变化与同等情况下的根据几何相位设计的超构表面，即正常色散角度28.2°-44.8°，相比扩大了1.4倍。二者在10μm处的出射角度相同，而且平板的尺寸以及单元件结构及其他光源条件都是相同的。

图1(a)是只考虑几何相位，超构表面在中红外波段正常色散时，不同波长光入射时的透射角度远场分布图，随着波长变化，透射的角度从28.2°变化至44.8°。图1(b)是几何相位和共振相位结合，超构表面在中红外波段大角度色散时的透射角度远场分布图，可实现透射角度从25°-47.6°的变化与同等情况下的正常色散角度相比扩大了1.4倍。

图2为本发明的大角度分光超构表面单元件性质分布情况，图2(a)为对应770°相位补偿的单元件的相位及效率随波长的变化分布图，从图中可以看到Si呈高阶谐振，类似于波导谐振器。这些谐振模式的存在使得传输效率高，峰值可达97.7％，平均效率约为60％；从图2(a)可以看到其相位分布与波长呈线性关系。这些纳米单元是经过精心选择，并根据其位置(x,y)进行特殊旋转。图2(b)表示该单元件内部的场效应分布，单元件结构为15μm高的Si纳米结构以及氧化铝衬底，在介电结构内部有高度集中的场效应，因此介电纳米颗粒之间的耦合作用较弱。

如图3所示为本发明的光路图，由激光器产生的光源通过线偏振片、四分之一波片调节成圆偏振光，经过大角度色散超构表面透射板分光作用，通过感应端接收以及后期的图像处理得到清晰的光谱图像。

表一展示了本发明中挑选的不同尺寸单元件的对应相位关系，具体如下，其中L_B、W_B分别代表介电单元Si的长、宽，单位为nm；Phase compensation代表此结构单元的相位补偿值，单位是°；第一行数据表明，长度为1185nm，宽度为1000nm的Si，其相位补偿值为500°。

表一

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。