一种太赫兹一维立体相位光栅的制作方法

背景技术：

目前，适用于太赫兹波段的光谱仪器主要有两类：红外傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱仪。红外傅里叶光谱仪使用傅里叶变换技术分光具有多通道、高通量的特点，但傅里叶变换技术依赖动镜的顺次扫描，不能实时成谱，限制了其在快速变化、复杂环境中的使用；其次，红外傅里叶光谱仪基于迈克尔逊干涉仪的基本构型，其中必不可少的分束片使入射光能损耗50％，限制了仪器在微弱信号探测中的使用；此外红外傅里叶光谱仪引入了移动部件和步进控制电机，增加体积和功耗的同时，影响了仪器的使用寿命。太赫兹时域光谱仪对太赫兹信号的探测基于光电导取样或电光取样，对物体成谱时，需要依次完成波长维，空间维的扫描，需要耗费大量的时间。因此，上述两种现有手段，不能满足复杂多变环境下，太赫兹谱快速探测的需要。

分光器件是成像光谱仪器的关键部件，直接影响仪器的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。目前作为可见、红外光谱仪器的分光器件有：棱镜、振幅光栅、AOTF等。然而这些适用于可见、红外波段的分光器件或技术并不能满足太赫兹波段物质的谱探测与成像对分光器件的需求。首先，棱镜作为经典的分光器件具有自由光谱范围宽、结构简单、通光量大，能量利用率高，杂散光易于抑制的优点，然而在太赫兹波段，随着波长的增加，电磁波的穿透性能增强，材料的色散现象变的及其微弱，这意味着通过材料色散获取精细光谱的方式在太赫兹谱探测中不在可行。其次，振幅光栅依靠衍射效应分光，然而受相邻衍射次级光谱重叠的限制，单块光栅的光谱范围有限；为了提高光能利用率而采用的闪耀光栅，其闪耀波长的有限带宽进一步缩小了光栅的自由光谱范围。太赫兹波的波长范围是可见波的3000倍，是红外波的100倍。这决定了太赫兹波段的光谱仪器的分光器件须具备宽自由光谱范围特性，因此闪耀光栅、振幅调制光栅不适合用作太赫兹波段的分光器件。最后，AOTF依靠声光效应实现衍射分光，具有体积小，晶体衍射率高、大视场的优点，但目前尚未在公开报道的文献中查阅到适用于太赫兹波段的声光晶体。因此目前现有的分光器件不能满足太赫兹谱成像对宽光谱分光器件的需求。

上述四种现有技术的缺点主要体现在以下两个方面：一、傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱仪，完成物体的成像过程需要花费较长时间，不适用于复杂多变的野外环境；二、对于适用于可见、红外波段的现有分光器件，或受制于太赫兹波段的色散能力，或受制于器件本身的自由宽光谱范围，或受制于器件的发展水平，均不能满足太赫兹谱快速探测对宽自由光谱分光器件的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种太赫兹一维立体相位光栅，适用于光谱分析、检测、成像对宽光谱相位光栅的需求。

具体发明如附图1所示，宽波段立体相位光栅是由长方体金属板(1)上刻出一系列平整光滑的矩形凹槽构成，其中，凹槽平面与长方体金属板(1)的上表面平行，其中凹槽的深度分别为h₁、h₂、…、h_N-1、h_N，h₁、h₂、h₃、…、h_N-2、h_N-1、h_N顺次增大；凹槽的宽度均为a，光栅的周期为d。深度相同的槽视为一个元胞，则上述立体相位光栅由元胞N个元胞构成。

对于单元胞，其对入射光的调制如图2所示，宽谱平行太赫兹波(2)以角度α斜入射单元胞(3)发生衍射，衍射光经会聚透镜(4)在透镜焦平面(5)处聚焦，出现0级、+1级、-1级等“明暗”相见的条纹分布。光栅衍射级次的分布满足光栅的衍射方程，如(1)式所示，其中α表示入射角，β表示衍射角，d表示栅距，m表示衍射级次，λ表示太赫兹波长。

$sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})=m\frac{\mathrm{\λ}}{d},m=0,\±1,\±2...---\left(1\right)$

图2中，会聚透镜(4)的焦平面(5)上，任一点的太赫兹强度分布如(2)式所示，其中α表示入射角，β表示衍射角，a表示槽宽，k表示波矢，表示相位调制因子，h表示槽深，n表示槽的个数，A表示入射光的振幅，λ表示波长，f表示聚焦镜的焦距，b表示槽的长度。

与传统的振幅调制光栅的光强分布相比，相位调制光栅的光强分布表达式中多了相位调制因子即相位调制光栅的光强分布受槽深h的调制。

对于零级衍射光，满足β＝-α，则零级光的强度如(4)式所示。

有(4)式可知，对于同一元胞，不同波长分量受槽深h的调制量不同，其衍射的零级分量强度不同；对于不同元胞，相同波长由于槽深h不同，调制因子不同，其衍射的零级分量强度也不同。

本发明对太赫兹波实现相位调制的示意图如图3所示，宽谱平行太赫兹波(6)斜入射立体相位光栅(7)发生衍射，衍射光经过会聚透镜(8)在透镜焦平面(9)处聚焦，+1级衍射波(10)、-1级衍射波(11)和其他更高级次的衍射波被位于透镜焦平面(9)的孔径光阑(12)滤除，立体相位光栅的0级衍射光继续自由传播，由于元胞一(13)、元胞二(14)、元胞三(15)、元胞四(16)、元胞五(17)、元胞六(18)具有不同的槽深，其对入射太赫兹波(6)的不同区域产生不同的相位调制，使0级衍射波波前(19)的不同区域具有不同的相位信息，0级衍射波波前(19)的不同位置具有不同的强度分布。

上述所述的太赫兹一维立体相位光栅的光谱分辨率取决于最大槽深，当光平行于纸面方向入射时，光栅的光谱分辨率如(5)式所示。

$R=\frac{cos\mathrm{\α}}{2h_{\max }}---\left(5\right)$

立体相位光栅中元胞的个数N依据所用太赫兹波段的带宽，有奈奎斯特采样定理决定,如(6)式所示，其中N表示元胞的个数，h_max表示最大槽深，σ_max表示所用太赫兹波段的最大波数，α表示入射角。

$N\≥\frac{4h_{max}{\mathrm{\σ}}_{max}}{cos\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

立体相位光栅单元胞中槽的个数n依据所用太赫兹波段的波数，有系统的信噪比决定，如(7)式所示，其中n表示单元胞中凹槽的个数，σ_max、σ_min分别表示所用太赫兹波段的最大波数、最小波数。

$n\≥2\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{max}}{{\mathrm{\σ}}_{min}}+1\right)---\left(7\right)$

立体相位光栅中，凹槽的槽宽a满足a≥10λ_max，光栅的占空比满足d:a>1，槽的长度b至少是最大波长λ_max的100倍；立体相位光栅中相邻元胞的槽深顺次变化，但可以不等梯度；立体相位光栅中不同元胞之间槽的个数、光栅周期、槽宽可以不等，如；元胞内槽深相同，槽宽可以不等，如示意图4所示。

本发明的核心在于通过引入不同槽深，对入射光的不同区域施加不同的相位调制，使光栅衍射光波前的不同区域具有不同的相位信息。

与现有分光器件相比，立体相位光栅具有以下优点：一、对入射太赫兹波实现了相位调制，突破了传统光栅的振幅调制局限；二、相位光栅的零级具有分光能力，这突破了传统光栅零级不具备分光能力的约束，保证了光栅自由光谱范围的同时，大大提高了光栅的光能利用率；三、与傅里叶光谱仪相比，立体相位光栅没有移动部件，提高光能利用率的同时，可以做到实时探测，能够满足野外复杂多变环境的需要；四、与其他分光器件相比，立体相位光栅采用反射式结构，易于加工，成本低廉。

附图说明

图1为一维太赫兹立体相位光栅示意图。

图2为立体相位光栅单元胞的太赫兹波衍射示意图。

图3为立体相位光栅的相位调制原理示意图。

图4为立体相位光栅的其他结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图3对本发明进一步说明。

实施例1：用于400GHz—435GHz波段的一维立体相位光栅

本发明采用采用如下构造：

1.太赫兹一维立体相位光栅由六个元胞构成，六个元胞的槽深分别为0.1635cm、0.327cm、0.4905cm、0.654cm、0.8175cm、0.981cm。

2.六个元胞的槽宽、光栅周期、槽个数相等，槽宽1cm，光栅周期2cm，槽的个数为5，槽的长度为80cm。

本发明主要工作原理如图3所表述：

宽谱平行太赫兹波6斜入射立体相位光栅7发生衍射，衍射光经过会聚透镜8在透镜焦平面9处聚焦，+1级衍射波10、-1级衍射波11和其他更高级次的衍射波被位于透镜焦平面9的孔径光阑12滤除，立体相位光栅的0级衍射光继续自由传播，由于元胞一13、元胞二14、元胞三15、元胞四16、元胞五17、元胞六18具有不同的槽深，其对入射太赫兹波6的不同区域产生不同的相位调制，使0级衍射波波前19的不同区域具有不同的相位信息，0级衍射波波前19的不同位置具有不同的强度分布。