一种宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法与流程

1.本发明涉及微纳光栅领域，特别是一种宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法。


背景技术：

2.衍射光栅是一种基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，采用超大规模集成电路制造工艺在基片上或传统光学器件表面刻蚀出台阶或连续浮雕结构而形成的微纳光学元件。衍射光栅的基本原理是利用衍射理论在元件表面制备一定深度的台阶(光栅)，光束通过时产生不同的光程差，满足布拉格衍射条件。通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，实现光束形成特定图案的功能。
3.衍射光学元件问世后在高功率激光、激光加工、激光医疗、显微成像、激光雷达、结构光照明、激光显示等等领域展现了巨大的应用潜力。特别是在微光夜视技术领域，将微纳衍射光栅引入其核心器件像增强器中，可以通过光栅的分束功能实现对光束的偏转，进而增强微光像增强器对光子的利用率。微光像增强器的作用波段为380nm-960nm，中心波长为670nm。要实现微光像增强器光子利用率的最大化就需要尽可能的扩展衍射光栅的带宽，使得光栅作用中心波长在670nm附近，并且使衍射能量尽量集中在一级衍射，并且使用光介质作为光栅材料。
4.传统的光栅设计方法设计的全介质光栅衍射光谱带宽都不是很宽，一般不超过40nm。为了通过光栅提高像增强器的光子利用率，有必要发明一种分光型微纳衍射光栅设计方法，使得所设计的光栅具有较宽的光谱范围。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法，通过该方法设计的光栅作用中心波长范围包括380nm-960nm。其技术方案如下：
6.一种宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法，该方法包括：
7.s1，通过傅里叶变换解严格耦合波理论相关方程，得到光栅的透射方程；
8.s2，所述光栅的透射方程，得到光栅的夫琅禾费衍射强度分布表达式；
9.s3，所述的夫琅禾费衍射的强度分布表达式得到不同衍射级别的衍射峰值；
10.s4，所述的不同衍射级别的衍射峰值确定最终光栅的目标衍射级数和深度；
11.s5，根据实际光栅作用波段、加工制造工艺、目标衍射级数确定光栅的周期；
12.s6，根据光栅材料及镀膜材料确定光栅占空比；
13.s7，通过仿真对光栅的周期、占空比、深度进行优化，优化准则：通过不断调整光栅的周期、占空比、深度，使得光栅的作用中心波段在与目标中心波段接近的同时透射率尽可能小。
14.进一步地，所述光栅由材料a和材料b二种材料组成，所述材料a和材料b的折射率分别为n1和n2、宽度分别为d1和d2，即光栅周期a＝d1 d2，高度为h，总宽度为l；在入射光波长
为λ时，步骤s1至的光栅透射方程t(x)为：
[0015][0016]
式中：x为与入射光接触的宽度，
[0017][0018][0019]
进一步地，所述步骤s2的光栅夫琅禾费衍射强度分布表达式为：
[0020][0021]
式中：m为衍射级数，λ为入射光波长，θ为入射光衍射角。
[0022]
进一步地，当m＝0时，当m＝1时，
[0023]
进一步地，当m＝0时，零级衍射峰值强度为：当m＝1时，一级衍射峰值强度为：以此类推能够得到m≥2的不同级的衍射峰值；
[0024]
在步骤s4中，即满足以下关系时零级衍射峰值i
0peak
＝0，一级衍射峰最大：式中h为光栅深度。
[0025]
进一步地，在步骤s5中，所述衍射峰值强度分布与光栅周期a有关，根据公式为保证一级衍射峰值强度最大，光栅周期a需与入射光波长λ接近，即a≈λ。
[0026]
进一步地，在在步骤s6中，所述光栅占空比为不透光缝宽与光栅周期之比，可见光透明材料a为非透光区域，不透光材料b为透光区域，则占空比为材料a最大宽度的剖面条件下材料b宽度与光栅周期的比值，即占空比
[0027]
进一步地，在步骤s7中，光栅的衍射效率和作用波段与光栅的周期、占空比、深度有关，为得到所需光栅，通过仿真对计算得到的光栅周期、占空比、深度进行优化。
[0028]
本发明的微纳衍射光栅设计方法，涉及多参数优化设计，通过选择多个光栅参数，设定各个参数的范围，计算各组参数下光栅的透射谱，然后根据透射率最小值及中心波长进行评价并继续优化参数，当透射率最小值及中心波长满足要求时，得到的光栅参数为所需的设计结果。
[0029]
根据上述光栅结构模型，具体参与优化的光栅参数及其选择依据如下：
[0030]
1、微纳衍射光栅结构中，光栅的周期、占空比、深度对光栅的衍射效率和带宽都是有影响的。所以优化时包含了这三个变量。
[0031]
2、微纳衍射光栅采用刻蚀工艺进行图案的转移，光栅孔的侧壁垂直度是刻蚀工艺
需要攻关的难点之一，所以在优化设计时需要明确该参数对衍射光栅的性能影响程度大小。
[0032]
3、在实际刻蚀工艺过程中，改变微纳光栅的侧壁垂直度时会引起光栅孔底部凸起问题，为了确定底部凸起对光栅性能的影响，需要将孔底部凸起程度纳入仿真计算中。
[0033]
综合以上分析，本发明采用的多参量优化设计方法中，包含了光栅的周期、占空比、深度、侧壁垂直度和孔底部凸起程度五个变量。优化过程为通过调整五个变量提高光栅衍射效率及调整衍射中心波长到目标波段。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
基于本发明的衍射光栅设计方法，可以设计宽带衍射光栅。通过傅里叶变换解严格耦合波理论相关方程，建立光栅透射方程，得到光栅的夫琅禾费衍射强度分布表达式，得到不同衍射级别的衍射峰值，确定最终光栅的设计衍射级数，再根据实际光栅作用波段、加工制造工艺确定的衍射级数确定光栅的周期，占空比、深度，通过仿真对光栅的周期、占空比、深度进行优化。通过该方法设计的光栅作用中心波长范围包括380nm-960nm，其峰值波长可调应用于微光像增强器，可显著提高其光子利用率。
附图说明
[0036]
图1为本发明的宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法的流程图。
[0037]
图2为通过本发明的设计方法设计的光栅正面图。
[0038]
图3为通过本发明的设计方法设计的光栅剖面图。
[0039]
图4为通过本发明的设计方法设计的光栅透射光谱。
[0040]
图5为通过本发明的设计方法设计的光栅衍射示意图。
[0041]
图6为使用和未使用本发明的设计方法设计的光栅微光像增强器的光谱响应谱对比。
[0042]
图中：1-材料a，2-材料b。
具体实施方式
[0043]
如图2所示，利用本发明的设计方法设计的光栅正面，其光栅形状为圆孔，呈正六边形分布。
[0044]
如图3所示，利用本发明的设计方法设计的光栅剖面。光栅材料和填充材料折射率不同。
[0045]
下面结合作用波段为380-960nm的微光像增强器用光栅的设计实例详细说明本发明的具体设计和优化过程。
[0046]
实施例1
[0047]
如图1所示，根据光栅使用条件或者光栅的制备工艺条件，各参数的取值范围如下：
[0048]
本发明宽带衍射光栅用基底为sio2，折射率为1.47-1.48，填充材料折射率为2.2-2.3，仿真的入射光波段为380-960nm。
[0049]
光栅周期以亚微米结构使用波段为基础，即380nm-960nm。为方便计算和后续工艺加工，周期取整数值，所以用于仿真的周期值为400nm、600nm、800nm和1000nm。
[0050]
衍射光栅占空比数值的选取需要综合考虑衍射效率和加工工艺条件，占空比为0.5时衍射效率最大，可将0.5设为占空比中间水平值。随占空比减小，当光栅周期增大时，光栅结构的特征尺寸将不断减小，考虑到制备工艺难度，将0.4设为占空比下限值，因此占空比取值范围为0.4到0.7。
[0051]
光栅的深度以理论计算值410nm为基础，在进行优化时，深度值取整数值，50nm为一间隔，最终取值分别定为300nm，350nm，400nm，450nm。
[0052]
侧壁垂直度理论最大值为90
°
，以5
°
为间隔进行取值，则垂直度最终取值为75
°
，80
°
，85
°
，90
°
。
[0053]
光栅孔底部凸起为0时效果最佳，以25mm为间隔进行取值，最终取值分别定为0nm，25nm，50nm，75nm。
[0054]
根据实际情况，在本次光栅参数的仿真优化中设置五个因素，选取的五因素四水平如表1所示。
[0055]
根据表1的参数组合仿真结果如表2所示。
[0056]
表1
[0057]
占空比f/％周期a/nm深度h/nm侧壁垂直度
ɑ
/
°
孔底部凸起/nm0.44003007500.560035080250.680040085500.710004509075
[0058]
表2
[0059]
[0060]
从表2仿真数据可以看出：
[0061]
随占空比的增加，t
min
逐渐增大，t
min
对应的中心波长逐渐减小；
[0062]
随周期的增加，t
min
先降低后升高，但极差值为0.04，表示周期对光栅的衍射效率影响较小；随周期的增加，t
min
对应的中心波长逐渐增大；
[0063]
随深度的增加，t
min
逐渐减小，但极差值为0.03，表示刻蚀深度对光栅的衍射效率影响较小；随深度的增加，t
min
对应的中心波长逐渐增大；
[0064]
随侧壁垂直度逐渐接近90
°
，t
min
逐渐减小，但极差值为0.04，表示周期对光栅的衍射效率影响较小；随侧壁垂直度逐渐接近90
°
，t
min
对应的中心波长在610nm-650nm之间波动；
[0065]
随底部凸起增大，t
min
在0.81-0.86之间波动，其对应的中心波长分布在610nm-650nm之间波动，因此底部凸起不会对光栅的光学性能产生明显影响。
[0066]
参数优化：光栅的衍射效率与透过率最小值t
min
对应，即透过率最小值越小对应的衍射效率越高，像增强器的中心波长为670nm。因此参数优化过程为：通过仿真软件，调整光栅占空比、周期、深度、侧壁垂直度、底部凸起五个参数，使得光栅在670nm波长附近使得t
min
最小。经过仿真设计，以及考虑到现有的加工精度，最终用于像增强器的光栅参数为：周期600nm，占空比0.4，光栅深度400nm
，
。侧壁垂直度与底部凸起对光栅衍射性能影响不大，暂不考虑。
[0067]
图4示出了优化参数后的光栅透射光谱，波谷为560nm-770nm，工作带宽为210nm，带宽相比于一般光栅的40nm，拓展明显。图5示出了通过本发明的设计方法设计的光栅衍射示意图，分光效果明显。图6示出了使用该参数下的光栅的微光像增强器的光谱响应谱，可以看出，使用该光栅后，微光像增强器的光阴极响应效率提升明显。
[0068]
综合以上的详细分析和实例论证，本发明提出的宽波段的分光型微纳衍射光栅设计方法能够根据实际需求快速设计光栅参数，设计方法简单，计算量小，通过参数优化能够得到宽波段的分光型衍射光栅，作用于微光像增强器，能够显著提高其性能。
[0069]
以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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。