[发明专利]一种基于超表面光栅的光整流元件及设计方法

说明书

本申请涉及一种基于超表面光栅的光整流元件的设计方法，其包括步骤：选定目标工作波段以及目标入射角和出射角以确定超表面光栅的初始结构参数；对所述初始结构参数进行二值编码以获得对应的初始二值参数；基于多目标优化算法对所述初始二值参数进行优化以获得初步优化结构参数；根据制造工艺需求对所述初步优化结构参数进行边界优化以获得最优结构参数。实现了两束相同偏振和波长的平面波从不同角度入射到元件上，使两束平面波可以耦合为一束平面波出射以实现更好的光整流。

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学衍射领域，特别涉及一种基于超表面光栅的光整流元件及设计方法。

背景技术

在传统光学元件中，将两束自由空间的光耦合为一束往往通过引入波导和光纤耦合器或使用半透半反镜。前者的插入和耦合都有相当的损耗，同时其出射光的偏振，发散角等性能都会有较大的变化，口径也完全受到了限制；后者利用半透半反镜并不会改变出射光的性能，对入射光也几乎没有要求，但是不可避免的会产生两束能量等级相同的合并光波，某种程度上说并不算真正的实现将两束光合并为一束的光整流的功能。

随着微纳光学的发展，基于微纳结构的超表面表现出了许多传统光学器件所不具备的功能，但主流的基于设计相位梯度来实现的光束偏折也仅能使不同偏振或波长的平面波耦合为一束。相关技术在仿真中对从不同角度向同一方向入射的相同波长且同一偏振的光(两束区别仅为传播方向不同的平面波)耦合成一束实现光整流，但基于该技术所需设计元件的最小间隔为10nm，加工难度极大，实现工业化量产的可行度较低。

发明内容

本发明实施例提供一种基于超表面光栅的光整流元件及设计方法，实现两束相同偏振和波长的平面波从不同角度入射到元件上，使两束平面波可以耦合为一束平面波出射，同时实现更好的光整流。

一方面，提供了一种基于超表面光栅的光整流元件的设计方法，其特征在于，其包括：选定目标工作波段以及目标入射角和出射角以确定超表面光栅的初始结构参数；对所述初始结构参数进行二值编码以获得对应的初始二值参数；基于多目标优化算法对所述初始二值参数进行优化以获得初步优化结构参数；根据制造工艺需求对所述初步优化结构参数进行边界优化以获得最优结构参数。

在一些实施例中，基于多目标优化算法对所述初始二值参数进行优化以获得初步优化结构参数，包括步骤：

以初始二值参数作为当前二值参数进行光学建模并依据评价函数计算所述当前二值参数对应的光整流评价值；

判断当前计算所得的光整流评价值是否满足优化终止条件，若否，则优化当前二值参数以计算新的光整流评价值；

若当前计算所得的光整流评价值满足优化终止条件则以满足所述优化终止条件的光整流评价值为初步优化评价值，并以所述初步优化评价值对应的二值参数还原计算初步优化结构参数。

在一些实施例中，以初始二值参数作为当前二值参数进行光学建模并依据评价函数计算所述当前二值参数对应的光整流评价值，包括步骤：

以所述当前二值参数建立光学模型并基于所述光学模型计算所述目标工作波段的平面波在所述目标入射角下的角谱和反射率；

将所述角谱和反射率代入评价函数计算所述初始二值参数对应的光整流评价值。

在一些实施例中，所述判断当前计算所得的光整流评价值是否满足优化终止条件，包括步骤：

基于非支配排序算法对当前计算所得的光整流评价值进行排序和选择；

判断当前排序和选择的结果是否满足pareto前沿N代未变且N取大于0的整数，若是则判断为满足优化终止条件，若否则判断为不满足优化终止条件。

在一些实施例中，所述优化当前二值参数以计算新的光整流评价值，包括步骤：

采用多目标优化算法对所述当前二值参数进行优化以获得新的二值参数；