基于周期性透光结构的单色光分束器及分束方法
本发明涉及光学元件，具体为基于周期性透光结构的单色光分束器及分束方法。
背景技术：
1、分束器是一种可将一束光分成两束光或多束光的光学元件。许多光学系统中都需要分束器。目前常见的分束器有介质膜反射镜、立方体分束器、光纤分束器、金属涂覆反射镜、薄膜分束器、微光学分束器以及波导分束器。偏振光栅虽然也能分光，但是只能对偏振光进行分光。现有技术中的这些分束器都存在分束后所分两束光光强不相等的缺点。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种分束后所分两束光光强精确相等的单色光分束器及分束方法。
2、本发明实施例提供了一种单色光分束器及分束方法，包括：基底，上述基底下侧设置有由不透光材料层、高折射率透光材料层、不透光材料层、低折射率透光材料层和不透光材料层……交替层叠形成的周期性透光多层结构，上述交替层叠方向垂直于基底的法线方向。
3、上述基底材料可以是无机玻璃、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料，上述基底材料的折射率为n3。
4、上述高折射率透光材料层共i层，其中i＝1,2,3…，上述高折射率透光材料层的材料可以是无机玻璃、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料，上述高折射率透光材料层的折射率为n1。
5、上述低折射率透光材料层共i层，上述低折射率透光材料层的材料可以是无机玻璃、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料，上述低折射率透光材料层的折射率为n2。
6、上述不透光材料层共(2i+1)层，上述不透光材料层的材料可以是无机材料、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料。
7、上述高折射率透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度为a，a的大小接近于所分单色光的波长λ。
8、上述低折射率透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度也为a。
9、上述不透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度为b。
10、上述基底材料沿基底的法线方向上的高度为c。
11、如果设计的分束波长为λ，上述高折射率透光材料层沿基底的法线方向上的高度为d＝(2j+1)λ/[2(n1-n2)]，其中j＝0,1,2,3…。
12、如果设计的分束波长为λ，上述低折射率透光材料层沿基底的法线方向上的高度也为d。
13、对上述波长为λ的单色光进行分束时，上述光首先从空气中入射到分束器的基底，然后再入射到周期性透光多层结构的高折射率透光材料层或低折射率透光材料层，上述光透过周期性透光多层结构的高折射率透光材料层或低折射率透光材料层后再次入射到空气中传播。
14、下面按照所分光束沿分束器的基底的法线方向入射情况进行分析。当上述光沿分束器的基底的法线方向入射时，入射前上述光在空气中光程相等，上述光在基底中的光程也相等。但上述光在周期性透光多层结构的高折射率透光材料层和低折射率透光材料层中的光程不相等，在高折射率透光材料层中的光程(n1d)要比在低折射率透光材料层中的光程(n2d)大，光程差δδ1＝(n1-n2)d。由于d＝(2j+1)λ/[2(n1-n2)]，所以δδ1＝(2j+1)λ/2。当上述光再入空气后，光在空气中的光程取决于衍射方向。当衍射方向在分束器的基底的法线方向上时，上述光透过高折射率透光材料层后在空气中的光程与透过相邻低折射率透光材料层后在空气中的光程相等，光程差δδ2＝0，所以上述两条光线上的总光程差δδ总＝(2j+1)λ/2，干涉相消。因此，上述波长为λ的单色光透过周期性透光多层结构后在分束器的基底的法线方向上不能观察到光。
15、由于高折射率透光材料层的厚度a的大小接近于所分单色光的波长λ，根据惠更斯原理，上述光透过高折射率透光材料层后，可以向任意方向上衍射。例如，衍射方向可以与分束器的基底的法线方向所成夹角为a＝arcsin[λ/(2a+2b)]。
16、由于低折射率透光材料层的厚度a的大小也接近于所分单色光的波长λ，根据惠更斯原理，上述光透过低折射率透光材料层后，也可以向任意方向上衍射。例如，衍射方向也可以与分束器的基底的法线方向所成夹角为a。
17、如上所述，当上述光再入空气后，光在空气中的光程取决于衍射方向。当衍射方向与分束器的基底的法线方向所成夹角为a时，上述光透过低折射率透光材料层后在空气中的光程与透过相邻高折射率透光材料层后在空气中的光程不同。
18、当衍射方向位于分束器的基底的法线方向的左侧时，上述光透过低折射率透光材料层后在空气中的光程要比上述光透过左侧相邻高折射率透光材料层后在空气中的光程大。在左侧的与分束器的基底的法线方向所成夹角为a＝arcsin[λ/(2a+2b)]的方向上，上述光透过低折射率透光材料层后在空气中的光程比上述光透过左侧相邻高折射率透光材料层后在空气中的光程大δδ2＝(a+b)*sina＝λ/2。同时考虑光在高折射率透光材料层中的光程(n1d)与光在低折射率透光材料层中的光程(n2d)的光程差δδ1＝(2j+1)λ/2，所以这两条光线上的总光程差δδ总＝jλ，干涉相长。因此，上述波长为λ的单色光透过周期性透光多层结构后在左侧的与分束器的基底的法线方向所成夹角为a的方向上能观察到光。
19、当衍射方向位于分束器的基底的法线方向的右侧时，上述光透过高折射率透光材料层后在空气中的光程要比上述光透过右侧相邻低折射率透光材料层后在空气中的光程大。在右侧的与分束器的基底的法线方向所成夹角为a＝arcsin[λ/(2a+2b)]的方向上，上述光透过高折射率透光材料层后在空气中的光程比上述光透过右侧相邻低折射率透光材料层后在空气中的光程大δδ2＝(a+b)*sina＝λ/2。同时考虑光在高折射率透光材料层中的光程(n1d)与光在低折射率透光材料层中的光程(n2d)的光程差δδ1＝(2j+1)λ/2，所以这两条光线上的总光程差δδ总＝(j+1)λ，干涉相长。因此，上述波长为λ的单色光透过周期性透光多层结构后在右侧的与分束器的基底的法线方向所成夹角为a的方向上也能观察到光。
20、综上，当波长为λ的单色光沿分束器的基底的法线方向入射时，光透过周期性透光多层结构后在分束器的基底的法线方向上不能观察到光；而在左右两个与分束器的基底的法线方向所成夹角为a＝arcsin[λ/(2a+2b)]的方向上都能观察到光，即实现将一束光分成两束光。
21、根据惠更斯-菲涅尔原理，上述光透过高折射率透光材料层后，左右两个与分束器的基底的法线方向所成夹角为a的方向上次波的光强相等；上述光透过低折射率透光材料层后，左右两个与分束器的基底的法线方向所成夹角为a的方向上次波的光强也相等。根据干涉原理，左右两个与分束器的基底的法线方向所成夹角为a的方向上干涉波的光强也相等。因此，相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：具有分束后所分两束光光强精确相等的优点。
技术特征：
1.基于周期性透光结构的单色光分束器，其特征在于，包括：基底，所述基底下侧设置有由不透光材料层、高折射率透光材料层、不透光材料层、低折射率透光材料层和不透光材料层……交替层叠形成的周期性透光多层结构，所述交替层叠方向垂直于基底的法线方向。
2.根据权利要求1所述的高折射率透光材料层和低折射率透光材料层，其特征在于，所述高折射率透光材料层可以是无机玻璃、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料；所述低折射率透光材料层的材料可以是无机玻璃、有机高聚物，也可以是纤维与纳米复合材料。
3.根据权利要求1所述的高折射率透光材料层和低折射率透光材料层，其特征在于，所述高折射率透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度为a，所述低折射率透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度也为a，所述a的大小接近于所分单色光的波长λ。所述不透光材料层沿交替层叠方向上的每层材料厚度大小为b。
4.根据权利要求1所述的高折射率透光材料层和低折射率透光材料层，其特征在于，如果设计的分束波长为λ，所述高折射率透光材料层沿基底法线方向上的高度为d＝(2j+1)λ/[2(n1-n2)]，其中j＝0,1,2,3…，所述低折射率透光材料层沿基底法线方向上的高度也为d，其中n1为高折射率透光材料的折射率，n2为低折射率透光材料的折射率。
5.基于周期性透光结构的单色光分束方法，其特征在于，所述基于周期性透光结构的单色光分束器为权利要求1至权利要求4所述的单色光分束器，所述基于周期性透光结构的单色光分束方法如下：
6.根据权利要求5所述的基于周期性透光结构的单色光分束方法，其特征在于，当波长为λ的单色光沿基底法线方向入射时，在基底法线方向上不能观察到光；而在左右两个与基底法线方向所成夹角为a的方向上都能观察到光。
技术总结
本发明涉及光学元件技术领域。包括：基底，所述基底下侧设置有由不透光材料层、高折射率透光材料层、不透光材料层、低折射率透光材料层和不透光材料层……交替层叠形成的周期性透光结构，所述交替层叠方向垂直于基底的法线方向。所述透光材料层沿基底法线方向上的高度d＝(2j+1)λ/[2(n1‑n2)]。当波长λ的单色光沿基底法线方向入射时，光透过透光材料层后在基底法线方向上干涉相消，不能观察到光；而在左右两个与基底法线方向所成夹角为A＝arcsin[λ/(2a+2b)]的方向上干涉相长，能观察到光。相对于现技术，本发明具有所分两束光光强精确相等的优点。
技术研发人员：孟现柱
受保护的技术使用者：聊城大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23