一种基于超表面结构的光谱仪的制作方法

本实用新型涉及光谱检测领域，尤其涉及到一种基于超表面结构的光谱仪。

背景技术：

光谱仪究其实质是一个“分光”仪器，现在主流的实现分光功能方式是用光栅作为色散部件，将不同波长的光在空间上分开，用阵列探测器接收并输出光谱。光谱仪器是光谱分析的基本测试设备，它在工业、农业、生物、医药、环境、卫生、能源、国防、天文、地外生命探测等各领域中有着重要的应用。同时，光谱仪器的性能水平直接影响我国的基础研究，对于新材料、新能源、以及未知世界的探索发现具有重要意义。随着全球科技与经济的快速发展，以及环境与资源所面临的巨大压力，对于小型高分辨率、高灵敏度、宽波段的智能光谱仪器的需求越来越迫切。

经检索，公开号为CN101493357A的发明专利，公开了一种宽频带光谱仪，它包括光、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器、检测器和数据采集系统，光源准直系统由两棱镜组成，在光源至探测器的光路上依次排列装有光源、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器及检测器。公开号为CN106441572A的发明专利，公开了一种紧凑型高通量光谱仪，它包括入射狭缝、反射光栅、一组具有准直功能和成像功能的透镜组、以及探测器；入射光进入狭缝，经透镜组准直后，由反射光栅衍射分光，再通过透镜组汇聚成像于探测器上。

但是上述专利采用的结构都较复杂，体积大，不便于便携化。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型中的目的是提供一种基于超表面结构的光谱仪，采用周期小于波长的超表面结构同时实现分光光栅和汇聚镜的作用，极大减小了结构体积，便于仪器便携化。

为实现以上目的本实用新型提供了一种基于超表面结构的光谱仪，所述光谱仪包括入射狭缝，超表面结构，光电探测器阵列以及光谱信号输出器。

一种基于超表面结构的光谱仪，其特征在于，由入射狭缝，超表面结构，光电探测器阵列以及光谱信号输出器组成；其工作过程为：光束由所述入射狭缝进入所述超表面结构，由超表面透镜产生的相位分布可以将不同波长的光聚焦在所述光电探测器阵列不同位置处，利用不同位置上的输出强度信号，在光谱信号输出器上获得被测光的光谱图。

所述超表面结构由周期小于入射光波长的超表面单元结构和基底组成，其中超表面单元结构为长轴半径b和短轴半径a的椭圆柱沿x、y方向以周期Λ排列组成，入射光的传播方向为z方向；基底是二氧化硅材料，椭圆柱是硅材料。

所述超表面结构每个周期内的椭圆柱的长轴半径和短轴半径的数值根据以下相位公式确定：，其中λ_d为入射光波长，f为所述超表面透镜的焦距，x_f为该焦距在x方向上的分量，y_f为该焦距在y方向上的分量， z_f为该焦距在z方向上的分量。

本实用新型利用超表面结构对不同波长的光产生不同的相位分布，从而使不同波长聚焦在光电探测器阵列表面的不同位置实现分光和成像功能，以一个小巧的具有特定相位分布的超表面结构代替传统光谱仪光学结构中的分光光栅和汇聚镜，使得结构简单紧凑，减小了体积，便于仪器便携化。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的单个周期内椭圆柱及基底结构示意图。

图3为本实用新型的一个实施例设计的超表面结构的俯视图。

图4为本实用新型计算得到不同波长沿z方向入射此光谱仪产生的侧向位移。

具体实施方式

如图1所示，一种基于超表面结构的光谱仪，其特征在于，由入射狭缝（1），超表面结构（2），光电探测器阵列（3）以及光谱信号输出器（4）组成；其工作过程为：光束由所述入射狭缝（1）进入所述超表面结构（2），由超表面透镜产生的相位分布可以将不同波长的光聚焦在所述光电探测器阵列（3）不同位置处，利用不同位置上的输出强度信号，在光谱信号输出器（4）上获得被测光的光谱图。其中：入射光的传播方向为z方向。

所述入射狭缝（1），用于将待检测的光导入所述光谱仪，同时减少外界杂散光的进入。

所述超表面结构（2）包括基底及基底上的沿x和y方向周期排列的椭圆柱，光束传输通过不同尺寸的椭圆柱后产生的相位不同。周期性排列的不同尺寸的纳米硅片，且构成完整2π相位时，可实现对该光束的汇聚成像。同时不同波长的光束在同一位置（即同一坐标（x，y）），经同一大小的椭圆柱后会产生不同的相位变化，因此会在后续光路中的不同位置聚焦，产生不同的位移，达到分光效果。所需相位满足在坐标(x, y)处相位为Ψ (x, y)， ，λ_d为入射光的波长，f为所述超表面离轴透镜的焦距，x_f为该焦距在x方向上的分量，y_f为该焦距在y方向上的分量， z_f为该焦距在z方向上的分量。上述公式为三维球面透镜的聚焦公式，光束聚焦在一个点上，也称点聚焦。三维柱面透镜的光束聚焦在一条线上，也称线聚焦，聚焦公式为 或 ，聚焦线分别沿着y方向或x方向。相比于球面聚焦透镜，柱面聚焦透镜的结构为超表面结构沿着垂直聚焦线方向根据聚焦相位公式排列，平行聚焦线方向周期分布排列。根据以上相位分布要求，结合FDTD Solutions软件仿真，可以获得不同结构尺寸下椭圆柱产生的相位，从而可以确定每个周期内椭圆柱的尺寸。

所述光电探测器阵列（3），用于接收不同位置的光信号。

所述光谱信号输出器（4），用来读取光电信号探测器阵列传来的信息并且处理输出。

如图2所示，单个周期内的超表面单元结构为椭圆柱（5），长轴半径为b，短轴半径为a；基底（6）是二氧化硅材料，椭圆柱（5）是硅材料，x和y方向的周期是Λ。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：

本实施例设计的一种基于超表面结构的光谱仪中的超表面结构（2）是一个三维柱面透镜，线聚焦公式为 ，聚焦线沿着y方向。工作波长λ_d=1550 nm，聚焦长度f =8910 nm，x_f =6300 nm，z_f=6300 nm，周期Λ =900 nm。表1给出了计算得到的在上述参数情况下相位Ψ与位置x以及椭圆柱尺寸a和b的对应关系，根据表1中的数据按图3位置所示排列每一个超表面单元结构，其中x方向按照图中单元序号排列，y方向按照周期排列，图中只画出了4个周期，产生分光的效果。图4为不同波长入射此光谱仪产生的侧向位移 计算结果，可以看出不同波长将会在不同的位置实现聚焦，从而完成分光功能。侧向位移 的定义为垂直于聚焦轴线（结构中心与焦点的连线）方向的位移。

表1

本实施例大大简化了结构，有利于仪器的小型化和便携化，同时具有高精度的特点。

上面所述讨论的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型要求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。