本发明涉及的是一种同时具有分光和聚焦能力的平面光栅，作为分光器件，可被用于单色仪和光谱仪上，属于几何光学和微纳光学领域。
背景技术：
传统的光栅是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片，只具有色散分光的功能，在光谱仪中使用时需要额外添加聚焦透镜，不利于光路的简化。凹面光栅是在高反射金属凹面上刻划一系列的平行刻线构成的反射光栅，具有分光和聚焦能力，但是象散问题严重、衍射效率不高、机械刻划困难，因此没有得到广泛的应用。
超表面是一种由一系列亚波长结构组成的超薄二维表面，可以实现对入射光束的振幅、相位、偏振态等方面的有效调控。衍射光栅通过有规律的结构使入射光的相位受到周期性空间调制，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱，因此，光栅也可以看作为一种超表面元件。由于超表面体积小、集成度高的特点，利用其设计的光学元件受到了广泛的关注。
技术实现要素：
1、本发明的目的
本发明的目的是提供一种同时具有分光和聚焦能力的平面光栅，以实现光路的简化。
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种具有分光和聚焦能力的平面光栅，设有平行光垂直入射结构，不同波长的光会聚焦在不同的位置；包含多个子结构，每个子结构包括一个微结构以及支撑这个微结构的基底，子结构的宽度为t，所述的微结构是一个长方体，微结构的宽度为l，高度为h，所有的子结构的基底共同构成整体结构的基底，所有子结构共同构成整体光栅结构；
通过调节每个子结构的尺寸参数(如占空比、宽度t)，可以使出射光的相位产生不同的变化；
根据聚焦需求通过以下公式决定光栅表面的相位分布，从而确定每一个子结构的尺寸参数；
其中，以光栅表面以中心为原点，φ(x)是坐标点(x)处的相位，λ是设计的入射光波长，f是焦点到光栅中心的距离，α是焦点偏离轴线的角度，m为任意整数，通过设置光栅表面每一个不同位置的相位φ(x)，从而确定每个长方体微结构单元参数；通过改变每一个子结构的大小参数从而调整整个光栅的相位分布，从而实现光栅的聚焦功能。
更进一步，子结构宽度t范围为300nm至1000nm，可以通过调节子结构的宽度或者占空比能够获得不同的相位。
为了提高微结构的相位调制能力及透射率，所述微结构的长方体组成材料为硅或二氧化钛。
更进一步，所述微结构的长方体宽度l范围为30nm至800nm，高度h为1000-5000nm，子结构的占空比定义为l/t，也可以通过调节子结构占空比获得不同的相位。
更进一步，光栅适用的光谱范围为红外波段以及可见光波段。
为了提高光栅的透射率，所述基底组成材料为二氧化硅。
更进一步，微结构高度h＝1500nm，子结构的占空比在0.1到0.7之间变化时，实现2π的相位覆盖。
更进一步，将微结构在x方向上的边界条件设置为周期性边界条件，在入射光的传播方向即y方向上的边界条件设置为pml边界条件，得到入射光的透射率、相位变化分别和子结构尺寸(如占空比、宽度)的关系。
更进一步，光栅不具有偏振敏感性，即对于任意偏振方向的入射光，焦点的位置相同。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明提供的光栅，由基底以及排列在基底上的长方体微结构组成，通过调节子结构的尺寸参数，可以对入射光实现0到2π的相位调制。
(2)通过本发明设置合理的波长、焦距、角度参数，可以实现具有分光和聚焦能力的平面光栅。
(3)同时具有分光和聚焦能力的平面光栅在光谱仪、单色仪等仪器小型化、集成化设计中有着潜在的应用，具有非常重要的研究意义。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例示出的一种整体光栅结构示意图；
图2为本发明一示例性实施例示出的一种整体光栅的主视图以及单个子结构结构的主视图；
图3为本发明一示例性实施例示出的光栅整体结构主视图；
图4是不同波长下入射光经过光栅后发生分光和聚焦的示意图；
图5为入射光为波长为1500nm条件下，出射光的透射率、相位变化分别和占空比(l/t)、高(h)的关系示意图；
图6为完整光栅分布对te偏振(左)和tm偏振(右)的线偏振光的相位响应示意图；
图7为不同波长的te偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置；
图8为不同波长的tm偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置；
图9为不同波长的光在焦平面上的场强分布，横坐标表示焦平面上的位置，纵坐标表示电场强度的大小，每条线都表示不同的波长；
图10为不同波长的光在焦平面上的场强分布，横坐标表示波长，纵坐标表示焦平面上的位置，色标表示电场强度的大小；
图11为入射光波长为532nm条件下，出射光的透射率、相位变化与子结构宽度t的关系；
图12为不同波长的te偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
请参阅图1，一种同时具有分光和聚焦能力的平面光栅，包含多个子结构，每个子结构包括一个微结构1和支撑该微结构的部分基底，每个子结构的部分基底共同构成光栅的基底2，所有子结构的微结构构成光栅阵列。所述的光栅可以使不同波长的入射光通过光栅后，汇聚在不同的焦点上，从而实现分光和聚焦的功能。本发明中，光栅中的每一个长方体微结构单元都相当于一个相移器，入射光通过这个相移器之后，附加了额外的相位差，额外相位差的大小与结构的参数有关，通过合理的设计参数，可以实现0到2π的相移并且得到较高的透射率。
如图2所示，可以将任一微结构以及支撑其的部分基底称作光栅的子结构，各个子结构排布组成光栅。子结构在x方向的长度为t，微结构高度为h，宽为l，子结构的占空比定义为l/t。
根据实际的聚焦需求可以通过以下公式决定光栅表面的相位分布，然后根据模拟仿真的数据(子结构尺寸参数与相位关系，图5)，从而确定每一个子结构的尺寸参数。
其中，以光栅表面以中心为原点，φ(x)是坐标点(x)处的相位，λ是设计的入射光波长，f是焦点到光栅中心的距离，α是焦点偏离轴线的角度，m为任意整数，如图3所示。确定了光栅表面每一个不同位置的相位φ(x)，就确定了每个子结构单元的尺寸参数(l、t、h)。
为了提高光栅的透射率，基底材料优选为二氧化硅。为了提高微结构的相位调制能力及透射率，微结构材料优选为硅或者二氧化钛。为了保证光栅的高透射率，实现0－2π的相位调控，可以用时域有限差分法(fdtd)对光栅的子结构进行模拟仿真和数值分析。
长方体微结构材料设置为硅，其折射率为3.48，将基底设置为二氧化硅，其折射率为1.45，厚度为1000nm，将子结构的长度(t)固定为300nm，入射光波长为1500nm，将微结构在x方向上的边界条件设置为周期性边界条件，在入射光的传播方向(y方向)上的边界条件设置为pml边界条件，这里提到的入射光为te偏振的线偏振光(偏振光的定义见图4)。通过模拟仿真后，得到入射光的透射率分别和占空比(l/t)和高(h)的关系，如图5。
此外，还得到入射光的相位变化(取占空比(l/t)为0.1时的相位为0，单位为rad)分别和占空比(l/t)和高(h)的关系。
从图5中可以看到，微结构高度h＝1500nm，子结构的占空比在0.1到0.7之间变化时，可以较好的实现2π的相位覆盖，并且其对于入射光的透射率普遍较高。
基于以上模拟结果以及数值分析，可以设计出完整的光栅，可以将光栅的焦距f设置为30毫米，角度设置为15度，设计波长设置为1500nm。图6为完整光栅分布对te偏振(左)和tm偏振(右)的线偏振光的相位响应，可以发现差别不大，因此该光栅对于tm偏振的线偏振光也有着聚焦和分光的作用。
可以通过仿真模拟得出入射光经过上述光栅后的效果，图7为不同波长的te偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置。图8为不同波长的tm偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置。
由图7、图8可以看出，不同波长的光在经过光栅后，分别聚焦在了不同位置，实现了分光和聚焦的功能。
图9、图10为不同波长的入射光沿着焦线方向上的场强分布，图9中的每根线都代表不同波长的入射光，可以看出明显的分光效果。
实施例2
本实施例的具有分光和聚焦能力的平面光栅的设计方案与实施例1的不同之处在于，微结构的材料为二氧化钛，光栅适用的光谱范围为可见光波段，同时子结构产生的相位变化是通过调整子结构的宽度(t)产生的。
在本例子中，长方体微结构材料设置为二氧化钛，其折射率为2.5，将基底设置为二氧化硅，其折射率为1.45，厚度为1000nm，将子结构的宽度l固定设置为50nm，高度h为3000nm，入射光波长为532nm，将微结构在x方向上的边界条件设置为周期性边界条件，在入射光的传播方向(y方向)上的边界条件设置为pml边界条件，这里提到的入射光为te偏振的线偏振光(偏振光的定义见图4)。通过模拟仿真后，得到出射光的透射率、相位变化(将结构横向尺寸(t)为300nm时的相位定义为0，单位为rad)分别和子结构宽度(t)的关系，如图11。
基于以上模拟结果以及数值分析，可以设计出完整的光栅，可以将光栅的焦距f设置为30毫米，角度设置为5度，设计波长设置为532nm。
可以通过仿真模拟得出入射光经过上述光栅后的效果，图12为不同波长的te偏振的线偏振光沿y轴入射后的场强分布图，虚线为确定的焦平面位置，可以看出设计的波长在可见光波段也有着良好的作用效果，实现了对入射光的分光和聚焦。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。