一种调控波矢空间的超表面光谱仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪及其制备方法。

背景技术

光谱技术广泛应用于星体探测、材料科学、生物技术和医疗诊断等领域。传统光谱系统为保证高分辨性能，往往需要多个元件实现光谱分辨功能，存在光谱系统复杂、体积大、不易集成的问题，无法同时满足人们对便携性与高精度的要求。

随着现代微纳制造工艺的发展，超表面，一种定制的“人工电磁超材料”随之诞生。超表面作为一种由亚波长尺寸单元结构组合而成的二维平面，可以在小于光波长厚度内实现波面调控，具有超薄、超轻和超集成特性，可用于取代传统光谱系统中厚重的光学元件，实现光谱系统的集成化。

目前的色散型超表面光谱仪依靠色散原理实现光谱特征峰的空间分离，其主要缺点是超表面光谱元件受到色差的影响在曲面聚焦，产生的离轴像差将导致光谱特征峰展宽，使得光谱分辨率降低。为尽可能降低离轴像差对分辨率的影响，通过计算探测平面位置将探测平面倾斜放置，这一操作将影响光谱系统的集成度。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种调控波矢空间的超表面光谱仪及其制备方法，可实现光谱分辨率的进一步提升，且探测平面位置无需通过计算确定，提高系统的集成度。

本发明提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法，具体包括：

利用优化算法设计超表面元件，使所述超表面元件在平面波的激发下产生特定光场，并对所述特定光场在规定视场范围内光强零点数量、零点能量、零点位置随波长位移曲线的线性程度进行限制；

调整不同波长下所述超表面元件产生的特定光场在所述规定视场范围内有且仅有一对光强零点位置且所述光强零点位置随波长线性移动；

基于控制所述特定光场在所述规定视场范围内的零点数量限制相位突变点的个数，使得相应波矢空间有且仅有一对光谱特征峰；

利用限制所述光场零点位置的能量，使得所述光场零点位置的相位剧烈振荡，产生用于光谱识别的极窄的波矢峰，将所述极窄的波矢峰作为光谱特征峰，随波长产生位移；

所述超表面元件产生超分辨光场，通过确定所述超分辨光场的光场相位的梯度获取所述超分辨光场的波矢曲线，完成光谱特征峰由时域到波矢空间的转换。

作为一种优选的方案，所述通过确定所述超分辨光场的光场相位的梯度获取所述超分辨光场的波矢曲线，完成光谱特征峰由时域到波矢空间的转换，包括：

利用光场相位反演技术获取波矢空间的光谱特征峰，分别测量左旋、右旋、±45°线偏振光入射所述超表面元件后产生的光场分布，通过反演计算获取预先设计光场的相位分布，并计算相位梯度得到对应波长下的波矢曲线分布，将时域空间的光谱识别峰转换至波矢空间。

作为一种优选的方案，所述利用优化算法设计超表面元件，使所述超表面元件在平面波的激发下产生特定光场，并对所述特定光场在规定视场范围内光强零点数量、零点能量、零点位置随波长位移曲线的线性程度进行限制，包括：

在793nm-820nm波段优化尺寸为40×40μm超表面元件，元件相位遵循0/π分布，在10μm处焦平面产生所需特定光场，设置优化限制条件如下：原点x＝0处光强全局最大，所述特定光场的第二个零点位于2倍衍射极限的规定视场范围之外，所述规定视场范围内光强零点处的光强<3×10^(-4)，不同波长下波矢曲线峰产生的位移Δx>0，将优化的评价函数设置为：波矢峰随波长位移曲线与波矢峰一次自拟合函数的标准差，利用遗传算法优化得到所述超表面元件相位分布的最优解。

本发明还提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪，根据上述调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法制得。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明实施例中提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪及其制备方法，基于光场相位突变原理，光强零点处将产生尖锐的波矢峰，通过调控视场内光强零点的位置坐标使得波矢峰随入射波长线性移动，将光谱分辨由时域空间转至波矢空间，避免了离轴像差的产生，有效解决了因光谱特征峰展宽导致光谱分辨下降率的问题。由于光谱系统的探测平面与超表面元件平面平行，进一步提高了光谱系统的集成度。通过限制零点光强，提高了相位突变程度，降低了波矢空间光谱识别峰的半高全宽，进一步提升光谱分辨率至亚纳米量级。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法的流程示意图；

图2是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中超表面元件相位分布图；

图3是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中入射波长800nm不同偏振态下y方向光场强度图；

图4是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中入射波长800nm反演相位图；

图5是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中入射波长800nm波矢分布图；

图6是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中793nm:2nm:819nm波矢分布曲线图；

图7是根据本发明实施例提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法中793nm-820nm分辨率分布图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

结合图1所示，本发明实施例中提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法，具体包括：

S101、利用优化算法设计超表面元件，使所述超表面元件在平面波的激发下产生特定光场，并对所述特定光场在规定视场范围内光强零点数量、零点能量、零点位置随波长位移曲线的线性程度进行限制。

S102、调整不同波长下所述超表面元件产生的特定光场在所述规定视场范围内有且仅有一对光强零点位置且所述光强零点位置随波长线性移动。

S103、基于控制所述特定光场在所述规定视场范围内的零点数量限制相位突变点的个数，使得相应波矢空间有且仅有一对光谱特征峰。

S104、利用限制所述光场零点位置的能量，使得所述光场零点位置的相位剧烈振荡，产生用于光谱识别的极窄的波矢峰，将所述极窄的波矢峰作为光谱特征峰，随波长产生位移。

S105、所述超表面元件产生超分辨光场，通过确定所述超分辨光场的光场相位的梯度获取所述超分辨光场的波矢曲线，完成光谱特征峰由时域到波矢空间的转换。

本发明实施例中提供的调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法，采用基于波矢空间的光谱分辨技术，解决了基于色散原理的光谱仪其分辨率受色差限制的问题，利用光场零点处相位快速振荡产生的尖锐波矢曲线，将时域空间的光谱识别峰转换至波矢空间，利用优化算法设计超表面元件，在不同波长下调控光场零点位置，使得波矢空间的光谱识别峰随波长线性移动，非色散的光谱分辨技术避免了色差对光谱特征峰的影响，亚纳米量级的极窄波矢峰可实现光谱分辨率的进一步提升，且探测平面位置无需通过计算确定，提高了系统的集成度。

在S105步骤中，通过确定所述超分辨光场的光场相位的梯度获取所述超分辨光场的波矢曲线，完成光谱特征峰由时域到波矢空间的转换，具体包括：

结合图2所示，利用光场相位反演技术获取波矢空间的光谱特征峰，分别测量左旋、右旋、±45°线偏振光入射所述超表面元件后产生的光场分布，通过反演计算获取预先设计光场的相位分布，相位分布图如图2所示，并计算相位梯度得到对应波长下的波矢曲线分布，将时域空间的光谱识别峰转换至波矢空间，这种非色散的光谱分辨技术避免了离轴像差的产生，有效解决了因光谱特征峰展宽导致光谱分辨下降率的问题，其探测平面与元件平行，保证光谱系统的高度集成度。

在一种实施例中，在S101，包括：

优化算法采用遗传算法优化，在793nm-820nm波段优化尺寸为40×40μm超表面元件，元件相位遵循0/π分布，在10μm处焦平面产生所需特定光场，设置优化限制条件如下：原点x＝0处光强全局最大，所述特定光场的第二个零点位于2倍衍射极限的规定视场范围之外，所述规定视场范围内光强零点处的光强<3×10^(-4)，不同波长下波矢曲线峰产生的位移Δx>0，将优化的评价函数设置为：波矢峰随波长位移曲线与波矢峰一次自拟合函数的标准差，利用遗传算法优化得到所述超表面元件相位分布的最优解。

入射波长793nm-820nm产生的光场在2倍衍射极限的视场范围内仅存在一对光强零点，且光强<3×10^(-4)，零点坐标随波长的增大沿x轴正向移动。为获取光场的波矢曲线并将其作为光谱识别的特征峰，需得到光场的相位分布并通过梯度计算获得波矢分布。由于光场的相位分布无法通过测量直接获取，分别测量左旋、右旋、±45°线偏振光入射超表面后产生的光场分布，通过相位反演计算得到预先设计光场的相位分布，并计算相位梯度得到对应波长下的波矢曲线分布。相位梯度峰在793nm-820nm范围内沿x轴正方向线性移动，带宽内的光谱分辨率均小于2.1nm，可以在9个波长下实现亚纳米量级的光谱分辨，其中在794nm、816nm产生的最优分辨率为0.37nm。

不同偏振态的光场经由超表面后发生交叉极化，因此，当x偏振光入射时，用于光谱分辨的光场在y方向产生，x方向产生平面波作为参考光场。由于该光场的相位分布无法通过测量直接获取，利用不同偏振态光场入射超表面，分别获取y方向光场的强度分布：

所需光场的相位

依据不同偏振态下的光强分布，获得相位反演公式：

结合图3所示，入射波长800nm时，利用左旋、右旋、±45°的不同偏振态入射超表面元件，图3中示出了超表面元件在y方向光场强度，x方向偏振入射超表面激发的光场为设计光场，衍射极限r0＝0.5λ/NA。

结合图4所示，依据左旋、右旋、±45°的不同偏振态下y方向的光强分布，反演得到设计光场的相位分布，在光强零点位置产生了接近π的相位突变。

结合图5所示，利用反演所得的相位分布计算波矢分布，图5中示出了入射波长800nm波矢分布图，由于光强零点处相位的突变，波矢

结合图6所示，将时域空间的光谱特征峰转换至波矢空间，图6中示出了793nm:2nm:819nm波矢分布曲线图，利用尖锐的波矢峰实现光谱识别，带宽范围内特征峰的最大与最小半高全宽分别为3.1nm、8.2nm。

结合图7所示，基于波矢空间的超表面光谱仪在793nm-820nm分辨率分布图，其光谱分辨率均小于2.1nm，并在9个波长下实现了亚纳米量级的光谱分辨，其中794nm与816nm产生的最优分辨率为0.37nm。

本发明利用优化算法设计超表面元件，使其在平面波的激发下产生特定光场，并对光场在规定视场范围内光强零点数量、零点能量、零点位置随波长位移曲线的线性程度等特性提出限制。保证不同波长下超表面元件产生的光场在规定视场范围内有且仅有一对光强零点，零点的能量近似为零，且位置随波长线性移动。通过控制光场在视场范围内的零点数量限制相位突变点的个数，使得相应波矢空间有且仅有一对光谱特征峰，避免引入其他杂峰对光谱识别造成干扰。通过限制光场零点处的能量，使得该位置的相位剧烈振荡，从而产生极窄的波矢峰用于光谱识别，保证了光谱分辨率。控制不同波长下零点坐标位移曲线的线性程度，防止因光谱识别峰逆向移动造成光谱混叠，对光谱带宽与分辨率造成影响。通过计算光场相位的梯度获取光场的波矢曲线，实现光谱特征峰由时域到波矢空间的转换。由于光场的相位分布无法通过测量直接获取，本发明利用光场相位反演技术获取波矢空间的光谱特征峰，分别测量左旋、右旋、±45°线偏振光入射超表面后产生的光场分布，通过反演计算获取预先设计光场的相位分布，并计算相位梯度得到对应波长下的波矢曲线分布，将时域空间的光谱识别峰转换至波矢空间，这种非色散的光谱分辨技术避免了离轴像差的产生，有效解决了因光谱特征峰展宽导致光谱分辨下降率的问题，超表面光谱仪的探测平面与元件平行，保证光谱系统的高度集成。

本发明实施例中还提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪，根据上述调控波矢空间的超表面光谱仪制备方法制得。

本发明实施例中提供一种调控波矢空间的超表面光谱仪，基于光场相位突变原理，光强零点处将产生尖锐的波矢峰，通过调控视场内光强零点的位置坐标使得波矢峰随入射波长线性移动，将光谱分辨由时域空间转至波矢空间，避免了离轴像差的产生，有效解决了因光谱特征峰展宽导致光谱分辨下降率的问题。由于光谱系统的探测平面与超表面元件平面平行，进一步提高了光谱系统的集成度。通过限制零点光强，提高了相位突变程度，降低了波矢空间光谱识别峰的半高全宽，进一步提升光谱分辨率至亚纳米量级。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。