本发明涉及光学元器件，特别是涉及一种太赫兹反射式闪耀光栅结构与设计方法。
背景技术：
1、太赫兹(thz，1thz＝1012hz)波段是指频率从100ghz到10thz，介于微波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域，又称t射线(t-rays)。thz辐射具有低能量、低伤害性、高穿透力、高分辨率等物理特性，且该频段包含半导体以及等离子体的特征能量、更多的生物及大分子材料信息、约50％的宇宙空间(3k宇宙背景辐射后)光子能量等。因此，thz波在生化检验、环境监测、食品安全、射电天文探测、以及大容量的数据传输与信号处理等方面有重大价值和广阔的应用前景。
2、在太赫兹激光光谱技术中，大部分方法都要依赖复杂且昂贵的外部探测器，其主要问题是其响应速度慢，或者工作温度低，致使thz光谱仪器测试速度不高，或者结构复杂，难以满足日常条件下宽带宽和实时的太赫兹检测要求。半导体多模thz激光器反应速度快，而且激光器的多个模式可以拓宽光谱检测范围，为宽带宽和高速的thz光谱检测提供了解决方案。对多模太赫兹光的反射，多采用平面镜反射，但不能区分出多模激光的不同模式，而使用光栅代替平面镜是解决太赫兹光谱技术多模分辨问题的一个有效办法。
3、在一般的光栅中，光栅的单缝衍射零级和干涉的零级重叠，这是能量最强的位置，能量最强的中央峰作为多干因子的零级角位置故而不能分光，致使光栅元件分光效率不足，因此出现了“闪耀光栅”的概念。当光栅的槽形呈现为“锯齿”形(非对称三角形)时，光栅的光能量便会集中在某一个固定的方位，也就是某级光谱上，此方向的光谱强度最大，将这种现象称之为“闪耀”(blaze)，相应的光栅称之为闪耀光栅。在闪耀光栅中，刻槽面都与光栅平面呈固定的角度分布，这将使单一刻槽的衍射主极大和光栅不同刻槽面间的干涉零级主极大(零级光谱)分离，将原本零级光谱的能量转移并集中到其它某一级光谱上，实现闪耀现象。目前，反射式闪耀光栅有两种入射方式：沿闪耀平面入射和沿刻槽面入射。沿刻槽面入射也称为littrow入射，如图1所示，入射光1沿着刻槽面法线以入射角γ入射到光栅上，反射光2会沿着该方向反射，衍射角θ＝入射角γ＝光栅的闪耀角θb。沿闪耀平面入射如图2所示，入射光1沿着闪耀平面的法线方向以入射角γ入射，此时入射角γ＝0，衍射角θ为2θb。将这两种不同的入射方式代入光栅方程中，根据所需的波长和阶数，可以确定出光栅的闪耀角和光栅常数。
4、d[sin(γ)±sin(θ)]＝mλ
5、其中，d表示光栅常数，γ表示入射角度，θ表示衍射角度，m表示阶数，λ表示入射波长。
6、然而，现有的反射式光栅主要是针对近红外，中红外，紫外以及可见光的应用需求，而对介于微波与红外光之间频谱范围相当宽的太赫兹区域的应用需求中，不论是透射式还是反射式的衍射光栅，在0.5–6thz频率范围内没有相关的仿真设计说明以及元器件。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种太赫兹反射式闪耀光栅结构与设计方法，实现多模激光的模式分辨。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种太赫兹反射式闪耀光栅结构，采用沿刻槽面入射的入射方式，包括自上而下的入射区域、光栅区域和透射区域，所述光栅区域包括衬底，所述衬底上设置有锯齿状且周期性重复的波导结构；所述入射区域与透射区域的折射率相同，所述光栅区域中光栅脊的折射率与光栅槽的折射率不同。
3、所述衬底和波导结构采用铜、硅、石英或聚合物材料制成。
4、所述入射区域与透射区域的折射率均为1。
5、所述光栅区域的光栅常数满足：2dsin(θb)＝mλ，其中，d为光栅常数，θb为闪耀角度，λ为闪耀波长，m为阶数。
6、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种上述太赫兹反射式闪耀光栅结构的设计方法，包括以下步骤：
7、根据待设计的闪耀光栅结构的中心频率和闪耀角计算光栅常数，得到光栅参数；
8、通过所述光栅参数进行夫琅禾费衍射效应计算，并基于计算结果通过仿真软件对设计的闪耀光栅结构的频率分辨性能进行分析；
9、在设计的光栅的频率分辨性能满足要求后，通过仿真软件对设计的闪耀光栅结构的频率范围和选择性能进行计算分析。
10、所述光栅常数的计算方式为：2dsin(θb)＝mλ，其中，d为光栅常数，θb为闪耀角度，λ为闪耀波长，m为阶数，所述闪耀波长为待设计的闪耀光栅结构的中心频率对应的波长。
11、所述通过所述光栅参数进行夫琅禾费衍射效应计算，并基于计算结果通过仿真软件对设计的闪耀光栅结构的频率分辨性能进行分析，具体为：
12、确定待设计的闪耀光栅结构的缝数和尺寸，并结合所述光栅常数，进行夫琅禾费衍射效应计算，得到设定频率范围的光栅衍射效率，采用仿真软件根据设定频率范围的光栅衍射效率得到衍射强度随频率的变化的曲线图；
13、根据衍射强度随频率的变化的曲线图判断待设计的闪耀光栅结构的中心频率一阶衍射光的衍射强度是否为最大，且距离待设计的闪耀光栅结构的中心频率的间隔频率处的衍射强度是否达到所预期的频率分辨性能；
14、若待设计的闪耀光栅结构的中心频率一阶衍射光的衍射强度最大，且距离待设计的闪耀光栅结构的中心频率的间隔频率处的衍射强度达到所预期的频率分辨性能，则表示设计的闪耀光栅结构的频率分辨性能满足要求。
15、所述对设计的闪耀光栅结构的频率范围和选择性能进行计算分析，具体包括：
16、采用仿真软件根据设定频率范围的光栅衍射效率，得到衍射强度随入射角度变化曲线图；所述衍射强度随入射角度变化曲线图中每条曲线代表一个频率，每个频率对应有最大衍射效率的特定角度；
17、判断在预设入射角度范围内中的每条曲线的最大衍射强度是否均大于衍射强度阈值，且拥有最大衍射强度的入射角是等于闪耀角；
18、若在预设入射角度范围内中的每条曲线的最大衍射强度均大于衍射强度阈值，且拥有最大衍射强度的入射角等于闪耀角，则表示设计的闪耀光栅结构的选择性能满足要求。
19、所述的设计方法还包括：
20、根据设计的闪耀光栅结构的缝数计算闪耀光栅结构的分辨能力，并根据闪耀光栅结构的分辨能力计算分辨率；
21、根据设计的闪耀光栅结构的光栅常数和闪耀角计算角色散；
22、根据设计的闪耀光栅结构的闪耀波长计算自由光谱范围。
23、所述闪耀光栅结构的分辨能力通过r＝mn计算得到，所述分辨率通过计算得到，所述角色散通过计算得到，所述自由光谱范围通过计算得到，其中，r表示分辨能力，m为阶数，n为闪耀光栅结构的缝数，δλ为分辨率，λ为闪耀波长，为角色散，d为光栅常数，θb为闪耀角度，fsr为自由光谱范围。
24、有益效果
25、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能够从多模激光中选择性地反射出特定的激光模式，并通过调节光栅的入射角度，实现对不同模式激光的选择性输出，从而能够有效的从多模激光中提取出所需的单模激光，从而实现在太赫兹波段下对多模激光的模式分辨和选择，并且提供了长波长衍射光栅的设计方法，证明衍射光栅可以在太赫兹波段有很好的效果，弥补了0.5–6thz频率波段的空白。
1.一种太赫兹反射式闪耀光栅结构，采用沿刻槽面入射的入射方式，其特征在于，包括自上而下的入射区域、光栅区域和透射区域，所述光栅区域包括衬底，所述衬底上设置有锯齿状且周期性重复的波导结构；所述入射区域与透射区域的折射率相同，所述光栅区域中光栅脊的折射率与光栅槽的折射率不同。
2.根据权利要求1所述的太赫兹反射式闪耀光栅结构，其特征在于，所述衬底和波导结构采用铜、硅、石英或聚合物材料制成。
3.根据权利要求1所述的太赫兹反射式闪耀光栅结构，其特征在于，所述入射区域与透射区域的折射率均为1。
4.根据权利要求1所述的太赫兹反射式闪耀光栅结构，其特征在于，所述光栅区域的光栅常数满足：2dsin(θb)＝mλ，其中，d为光栅常数，θb为闪耀角度，λ为闪耀波长，m为阶数。
5.一种如权利要求1-4中任一所述太赫兹反射式闪耀光栅结构的设计方法，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述光栅常数的计算方式为：2dsin(θb)＝mλ，其中，d为光栅常数，θb为闪耀角度，λ为闪耀波长，m为阶数，所述闪耀波长为待设计的闪耀光栅结构的中心频率对应的波长。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述通过所述光栅参数进行夫琅禾费衍射效应计算，并基于计算结果通过仿真软件对设计的闪耀光栅结构的频率分辨性能进行分析，具体为：
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述对设计的闪耀光栅结构的频率范围和选择性能进行计算分析，具体包括：
9.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，还包括：
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述闪耀光栅结构的分辨能力通过r＝mn计算得到，所述分辨率通过计算得到，所述角色散通过计算得到，所述自由光谱范围通过计算得到，其中，r表示分辨能力，m为阶数，n为闪耀光栅结构的缝数，δλ为分辨率，λ为闪耀波长，为角色散，d为光栅常数，θb为闪耀角度，fsr为自由光谱范围。
