本發明屬于微光學領域，特別涉及一種360°全視場角衍射光學元件及其設計實現方法。

背景技術：

衍射光學元件(Diffractive Optical Elements,DOEs)是一類基于衍射原理工作的光學元件。傳統衍射光學元件通過在透明的介質材料上刻蝕不同深度的浮雕結構來控制入射光的位相，最終用于制作基于位相調控的光器件。入射光經過衍射光學元件后能夠擴展的衍射角度是評價其性能的重要指標。但一般來說，衍射光只能是透射或者反射，也就是兩選一的工作模式，因此限制了衍射光實際可到達的范圍，在光傳感、激光雷達、體感、光顯示等領域的應用將十分受限。

基于幾何相位調制的超穎表面材料是新一代衍射光學元件的熱門功能材料，其具有精密的、連續的位相調節功能，再結合亞波長結構所特有的、一些奇異的物理效應(比如電磁共振)，通過優化設計，有望實現一種360°全視場角的新概念衍射光學元件，本案由此產生。

技術實現要素：

本發明的目的，在于提供一種360°全視場角衍射光學元件及其設計方法，其可實現360°衍射角，使得調制后的光場前向和后向同步傳輸。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

一種360°全視場角衍射光學元件，包括由電介質材料制成的基底層和若干納米磚，其中，各納米磚的大小相同，且其長、寬均為亞波長尺度；納米磚以不同轉角設于基底層上，形成單元結構。

上述基底層和納米磚的電介質材料不同。

上述各納米磚均為長方體，且其長、寬、高均為亞波長尺度。

一種360°全視場角衍射光學元件的設計方法，包括如下步驟：

步驟1，確定響應主波長λ，進而確定在此波長范圍透明的納米磚電介質材料；

步驟2，采用電磁仿真軟件，以左旋或右旋圓偏光垂直照射納米磚，確定透射和反射的交叉偏振轉化效率高且相等、同向偏振轉化效率最低時的單元結構的邊長C、納米磚的寬度W、高度H和長度L；

步驟3，確定衍射光學元件生成的圖案的像素數m和n，其中，m、n分別為長、寬方向上對λ產生圖案的像素數；根據公式d_x＝mλ/θ_x和d_y＝nλ/θ_y計算主波長為λ時納米磚的排列周期尺寸，其中，θ_x、θ_y為長、寬方向上衍射光學元件的投影角度；

步驟4，依據公式M＝d_x/C，N＝d_y/C得到單周期內單元結構長、寬方向對λ響應的單元數M和N；

步驟5，采用傅里葉迭代算法，得到對λ響應的單元結構相位分布Φ，從而得到這些單元結構內納米磚的朝向角；

步驟6，沿單元結構長度和寬度方向上將納米磚依次排列，得到所需的衍射光學元件。

上述步驟1中，確定響應主波長λ＝830nm，基底層的電介質材料選用熔融石英玻璃，納米磚的電介質材料選用非晶硅。

上述步驟2中，采用的電磁仿真軟件為Comsol。

上述步驟3中，衍射光學元件生成的圖案旋轉對稱，即圖案中坐標分別為(x,y)和(-x,-y)的光點的強度相同。

上述步驟5中，單元結構內納米磚的朝向角φ(i,j)與該單元結構相位分布Φ的關系為：φ＝Φ/2，其中，i，j表示衍射光學元件x和y方向上第(i,j)個納米磚。

采用上述方案后，本發明基于兩個物理機理：一個是幾何相位；一個是電磁共振。幾何相位指的是納米磚長寬方向大小不一致形成的各向異性，利用這種各向異性可以實現對入射圓偏振光的任意位相調制，具體原理可參閱參考文獻：Guoxing Zheng,Holger Mühlenbernd,Mitchell Kenney,Guixin Li,Thomas Zentgraf and Shuang Zhang.Metasurface holograms reaching 80％efficiency.Nature Nanotechnology,10(5),308-312,2015。電磁共振指的是當材料結構小于波長量級時，其類似于米氏散射體，如果入射光波波長與米氏散射體的共振波長匹配，將產生強烈的后向散射效應，具體原理可參閱參考文獻：Zhao,Qian,et al."Mie resonance-based dielectric metamaterials."Materials Today 12.12(2009):60-69.。

360°全視場角衍射光學元件目前還未被公開報道，本發明巧妙利用了納米磚陣列材料的幾何相位和電磁共振效應，是該領域重要的理論和方法突破，對于未來高端光傳感、體感全息、激光雷達、激光照明領域將產生重要影響。

附圖說明

圖1是本發明中衍射光學元件的工作原理示意圖；

圖2是本發明中衍射光學元件的單元結構及其工作示意圖；

圖3是本發明中單元結構排布方式示意圖。

圖4是器件相位調制大小與納米磚轉角關系圖；

圖5是器件轉化效率與納米磚轉角關系圖；

圖6是本發明實施例中電介質納米磚位相分布示意圖；

圖7是本發明實施例中得到的均勻光點陣列仿真效果圖(部分)。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖1至圖3所示，本發明提供一種360°全視場角衍射光學元件，包括由電介質材料制成的基底層1和若干納米磚2，基底層和納米磚對響應波長透明，且兩者材料不同；其中，各納米磚均為長方體且大小相同，且各納米磚的長、寬、高均為亞波長尺度；納米磚以不同轉角設于基底層上，形成單元結構，通過其朝向角的不同來對入射光的相位進行任意連續的調制，并且使得調制后的光場前向和后向同步傳輸。

本發明一種360°全視場角衍射光學元件同時利用了電介質納米磚的磁共振效應和幾何相位特性，實現了對特定波長的透反能量各占一半的同時，還實現了位相的精密和連續操控。這種基于電介質納米磚陣列的衍射光學元件，實現了傳統衍射光學元件不能實現的前后向同時傳輸功能，并且僅需要簡單的二臺階微納光學工藝，是微納光學領域重要的理論和方法的突破，有望在光傳感、體感全息、激光雷達、激光照明等領域得到重要應用。

為了實現以上調制效果，本發明還提供一種360°全視場角衍射光學元件的設計方法，包括如下步驟：

步驟1，確定響應主波長λ，進而確定在此波長范圍透明的納米磚電介質材料；

在本實施例中，確定響應主波長λ＝830nm，基底層的電介質材料選用熔融石英玻璃，納米磚的電介質材料選用非晶硅；

步驟2，采用電磁仿真軟件，以左旋或右旋圓偏光垂直照射納米磚，確定透射和反射的交叉偏振轉化效率高且相等、同向偏振轉化效率最低時的單元結構的邊長C、納米磚的寬度W、高度H和長度L；

在本實施例中，采用電磁仿真軟件Comsol對單元結構參數進行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圓偏光垂直入射、以透射和反射的右旋(或者左旋)圓偏光的轉化效率作為優化對象。掃描單元結構長寬尺寸C、納米磚長度L、寬度W、納米磚高度H，以期獲得最佳參數。要求反射光和透射光中的交叉偏振(左旋→右旋，或右旋→左旋)轉化效率最高且相等、同向偏振(左旋→左旋，或右旋→右旋)轉化效率最低。經優化計算，得到優化參數為：C＝400nm，納米磚長寬高尺寸分別為：200nm×120nm×310nm。圖2是單元結構示意圖。圖4是圓偏光垂直入射至優化得到的電介質納米磚后，透射和反射光中的交叉偏振相位調制大小隨納米磚朝向角的變化圖，可以看出相位調制大小等于納米磚朝向角的兩倍。圖5是優化得到的納米磚對偏振光轉化效率隨納米磚朝向角的變化圖，可以看出所設計的納米磚不僅實現了交叉偏振的高效率轉化、同向偏振的有效抑制，而且具有位相調制的反射光和透射光能量幾乎相等、且隨納米磚轉角的影響非常小，達到了單元設計的目的。

步驟3，確定衍射光學元件生成的圖案的像素數m和n，其中，m、n分別為長、寬方向上對λ產生圖案的像素數，要求該圖案必須是旋轉對稱，即(x,y)和(-x,-y)兩個不同位置的光點的強度是一樣的，這么做的目的是避免入射光偏振態的影響。根據公式d_x＝mλ/θ_x和d_y＝nλ/θ_y計算主波長為λ時納米磚的排列周期尺寸，其中，θ_x、θ_y為長、寬方向上衍射光學元件的投影角度，要實現360°全視場角，顯然θ_x、θ_y均為180°。

步驟4，依據公式M＝d_x/C，N＝d_y/C得到單周期內單元結構長、寬方向對λ響應的單元數M和N；

步驟5，采用傅里葉迭代算法，得到對λ響應的單元結構相位分布Φ，從而得到這些單元結構內納米磚的朝向角φ(i,j)，其與該單元結構相位分布Φ的關系為：φ＝Φ/2，其中，i，j表示衍射光學元件x和y方向上第(i,j)個納米磚；

步驟6，沿單元結構長度和寬度方向上將納米磚依次排列，得到所需的衍射光學元件。

依照上述步驟，我們設計一個360°的均勻光點(取偶數級次的光點)，像素M＝N＝180，光點間隔為1°，得到衍射光學元件的周期為95.2μm×95.2μm，單周期點數為238×238。優化后得到的位相分布如圖6所示，將所述位相值除以2，即可得到衍射光學元件單周期內每一個象元的納米磚的轉角。圖7是得到的傅里葉遠場光點陣列仿真圖(部分)。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。