带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强

导模共振光栅是一种典型的平面波导共振结构,可在光栅表面或波导层内形成较强的局域电场,能增强光与物质的相互作用.本文在导模共振结构的光栅层和基底层之间,引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层,显著增强了局域电场与增益介质的接触度.结果表明,引入多孔二氧化硅后,共振产生的电场增强区域上移至激光染料层,增加了激光染料与电场的相互作用,实现了激光出射增强.本文基于时域有限差分法,对结构参数进行分析优化,研究了820 nm共振波长激发下的出射激光特性,得到了连续的激光出射,其能量阈值约为2.5 mJ/cm^2,线宽约为0.3 nm.本文提出的结构实现了对表面局域电场的有效调控,增强了激发光与增益介质的相互作用,不但可应用于激光器,还为其它发光器件的设计提供了参考.     

多层介质膜脉冲压缩光栅近场光学特性分析

利用傅里叶模式理论分析了TE波自准直角入射的使用条件下，多层介质膜光栅的光栅区和多层膜区电场分布的特点.分别讨论了HfO₂和SiO₂为顶层光栅材料时，光栅结构参数对光栅脊峰值电场的影响，结果表明，对于不同膜厚的顶层材料，存在一个最佳膜厚度，使光栅脊峰值电场最小，并且当膜厚增大时，设计大高宽比的光栅可以降低该电场峰值.最后，在大角度条件下使用多层膜光栅也可以降低光栅脊处的峰值电场. 关键词： 衍射光学 多层介质膜光栅 模式理论 损伤阈值     

多层介质膜脉冲宽度压缩光栅与超短脉冲作用时的性能分析

基于啁啾脉冲放大技术的超短脉冲激光系统是提供超快、超强激光的重要途径，具有良好输出波形和高损伤阈值的多层介质膜脉冲宽度压缩光栅是获得高峰值功率脉冲激光的关键. 基于傅里叶谱变换方法和严格模式理论，分析了多层介质膜光栅(MDG)在超短脉冲作用下的光学特性. 结果表明，当MDG的反射带宽小于具有高斯分布的入射脉冲的频谱宽度时，-1级反射脉冲呈非对称高斯分布，其前沿出现振荡，并且-1级反射脉冲能量开始剧烈下降. 讨论了MDG结构参数对其反射带宽的影响. 分析了MDG与超短脉冲作用时的近场光分布，对提高其抗激光损 关键词： 脉冲压缩光栅 傅里叶谱变换 模式理论 损伤阈值     

基于共振波导光栅结构准连续域束缚态的低阈值纳米激光器的数值研究

纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.     

脉宽压缩光栅用多层膜制备和性能测试

给出了以413 nm作为写入波长,1053 nm作为使用波长的多层介质光栅膜的设计,计算表明膜系H3L(H2L)^9H0.5L2.03H满足光栅膜的要求.最后给出了制备得到的样品光学特性测试,结果表明在使用波长和曝光波长处满足设计要求,其抗激光损伤阈值在光正入射和51.2°入射时分别为14.14 J/cm2和9.32 J/cm2,膜系的应力表现为压应力.     

多层介质膜光栅激光预处理

 在N-on-1测试模式下研究了多层介质膜光栅的激光预处理效应。实验发现,激光预处理之后多层介质光栅膜的阈值能提高到处理前阈值的1.5~2.0倍。预处理机制可能是低能量密度激光辐照减少了光栅表面的污染物并降低了光栅表面的粗糙度。激光预处理可以作为优化光栅结构、酸洗等一系列提高多层介质膜光栅阈值方法的一个补充。     

亚波长光栅偏振片的纳秒脉冲激光损伤特性

偏振片在诸多光学系统中有着重要的应用。亚波长介质光栅可用作正入射偏振片，在高能激光系统中有着广泛的应用前景。为了探究波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光对于亚波长全介质光栅的诱导损伤特性，使用了粒子群优化算法结合严格耦合波分析设计了光栅的几何参数，计算表明亚波长光栅偏振片在入射光波长1 064 nm附近带宽0.5 nm内，平均消光比为1 500。使用了紫外曝光配合离子束刻蚀的工艺制备了HfO₂光栅，并对其纳秒脉冲激光损伤阈值进行了测试。测试结果表明S光损伤阈值约为P光损伤阈值的5倍，且都大于5 J/cm2。结果表明亚波长全介质光栅偏振片可广泛用于正入射激光系统中。     

45°高反膜中节瘤缺陷的电场增强效应及损伤特性

研究设计和制备了中心波长为1064 nm的45°多层膜反射镜,通过数值仿真结合实验,对薄膜中节瘤缺陷引起的电场增强效应及其对薄膜抗激光损伤性能的影响进行了研究。结果表明:当1064 nm激光从右至左45°斜入射时,电场增强效应主要出现在节瘤缺陷的表层及其左侧轮廓中部,电场增强效应随节瘤缺陷尺寸增大而增强。实验上,在清洁的基板表面喷布单分散SiO2微球作为人工节瘤种子,采用电子束蒸发制备法完成多层全反膜的制备,采用R-on-1方式对薄膜样品进行激光损伤测试。结果表明,薄膜的损伤阈值随着节瘤缺陷尺寸增加而减小。通过综合分析电场增强效应、薄膜损伤测试结果及损伤形貌特征得出,薄膜损伤阈值降低是由于节瘤缺陷和薄膜中微缺陷共同作用的结果。     

全内反射式衍射光栅近场光学特性

 利用傅里叶模式理论分析了具有高衍射效率的全内反射式衍射光栅在TE 和TM偏振态下的近场光分布特点，讨论了光栅结构参数以及入射角度对光栅内电场增强的影响。结果表明：全内反射光栅内部电场分布对偏振态较敏感，光栅槽深和占宽比对电场增强影响较小，光栅内的峰值电场随光栅周期增大而增大，并且峰值电场随着入射角度的增大而减小。在应用于高功率激光时，降低光栅内部的电场增强可以有效降低损伤风险。     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

Laser induced damage of multi-layer dielectric used in pulse compressor gratings

Laser induced damage threshold (LIDT) of multi-layer dielectric used in pulse compressor gratings (PCG) was investigated. The sample was prepared by e-beam evaporation (EBE). LIDT was detected following ISO standard 11254-1.2. It was found that LIDTs of normal and 51.2°incidence (transverse electric (TE) mode) were 14.14 and 9.31 J/cm2, respectively. A Nomarski microscope was employed to map the damage morphology, and it was found that the damage behavior was pit-concave-plat structure for normal incidence, while it was pit structure for 51.2°incidence with TE mode. The electric field distribution was calculated to illuminate the difference of LIDT between the two incident cases.     

熔石英和磷酸盐钕玻璃表面三角形微裂纹对入射光的散射分析

 采用时域有限差分方法(FDTD)模拟了石英玻璃和掺钕磷酸盐激光玻璃表面三角形微裂纹对入射光调制后的分布。TE模式光波入射,最大调制电场幅值出现在玻璃体内部;TM模式光波入射,最大调制电场幅值则发生在裂纹的缝隙中。两种入射光模式下,后表面的调制电场幅值增大倍数在相同裂纹条件下均比前表面大。TE模式入射时,当入射光在裂纹和玻璃表面相继发生全反射时,得到的调制电场幅值最大;后表面最大调制电场幅值随着裂纹在界面投影长度的增加、开口宽度的变大及裂纹深度的增加而分别增大。     

超宽带电磁脉冲对腔体孔缝耦合效应的数值模拟

 为了解孔缝耦合对超宽带电磁脉冲干扰和毁伤电子设备的影响,应用时域有限差分法对长方腔体上不同形状的孔缝耦合效应进行了数值研究。选取mm量级的微小孔缝为研究对象,分析不同入射角度、不同脉宽的激励源对耦合效应的影响,得到了孔腔共振效应、孔缝增强效应和腔体内场强的分布规律。研究表明：长方孔在孔缝附近存在明显的增强效应,超宽带脉冲对正三角孔和方阵的耦合系数最小,脉宽短的入射脉冲耦合效应明显强于脉宽长的脉冲,耦合效应基本随入射角的减小而缓慢减小。     

基于开口环阵列结构的表面晶格共振产生及二次谐波增强

理论研究了二维周期排列的金开口环谐振器的磁共振模式与周期阵列的衍射模式发生强耦合所需满足的条件及其对二次谐波产生效率的影响.通过控制阵列结构在x和y方向的周期大小,使得衍射模式只在其中一个方向产生,当衍射模式的电场方向与入射光电场偏振方向一致时,衍射模式才会与开口环谐振器的磁共振模式发生强耦合作用,产生表面晶格共振进而实现近场场增强.在此基础上,进一步计算了金开口环谐振器阵列的二次谐波产生效率,随着阵列周期逐渐增大,即开口环谐振器的数密度减小,二次谐波强度呈现先增加后降低的趋势,当开口环谐振器数密度降为原来的1/4左右时,二次谐波强度可以增强2倍以上.本文的研究为金属超表面二次谐波产生效率的提高提供了一种新的可能途径.     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

Microwave damage susceptibility trend of a bipolar transistor as a function of frequency

We conduct a theoretical study of the damage susceptibility trend of a typical bipolar transistor induced by a high-power microwave (HPM) as a function of frequency. The dependences of the burnout time and the damage power on the signal frequency are obtained. Studies of the internal damage process and the mechanism of the device are carried out from the variation analysis of the distribution of the electric field, current density, and temperature. The investigation shows that the burnout time linearly depends on the signal frequency. The current density and the electric field at the damage position decrease with increasing frequency. Meanwhile, the temperature elevation occurs in the area between the p-n junction and the n-n + interface due to the increase of the electric field. Adopting the data analysis software, the relationship between the damage power and frequency is obtained. Moreover, the thickness of the substrate has a significant effect on the burnout time.     

Microwave damage susceptibility trend of bipolar transistor as a function of frequency

We conduct a theoretical study of the damage susceptibility trend of a typical bipolar transistor induced by high-power microwave (HPM) as a function of frequency. The dependences of the burnout time and the damage power on the signal frequency are obtained. Studies of the internal damage process and the mechanism of the device are carried out from the variation analysis of the distribution of the electric field, current density, and temperature. The investigation shows that the burnout time linearly depends on the signal frequency. The current density and the electric field at the damage position decrease with increasing frequency. Meanwhile, the temperature elevation occurs in the area between the p-n junction and the n-n⁺ interface due to the increase of the electric field. Adopting the data analysis software, the relationship between the damage power and the frequency is obtained. Moreover, the thickness of the substrate has a significant effect on the burnout time.     

横向划痕对光场调制的近场模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R>10.0时调制较弱且相互接近, R<5.0时调制显著增强. 当R取1---3时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.0---3.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的"趋肤效应": 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.     

Near-field optical properties of wide bandwidth metal multi-layer dielectric gratings for pulse compressor

Metal multi-layer dielectric gratings (MMDG) for pulse compressors in high-energy laser systems should provide broad bandwidth as well as high laser-induced damage thresholds. The non-uniform optical near-field distribution of MMDG is an important factor that limits damage resistant capabilities. MMDG for pulse compressors operating at 800 nm with a corrugated SiO₂ layer are designed by using a genetic algorithm and the Fourier mode method. The diffraction efficiency, bandwidth, and near-field distribution of the MMDG are theoretically investigated. For the single dielectric match layer grating, the bandwidth is 140 nm, if the thickness and refractive index of the match layer are changed, the maximum electric field in the grating ridge, match layer, and metal layer of the grating increases with the decrease in grating diffraction efficiency. For the multi-dielectric match layer grating, the bandwidth and the maximum electric field in the metal layer decrease with the increase in high- and low-index material pairs, and the maximum electric field in the grating ridge and match layer initially decreases and then increases. Over a wide wavelength range, the maximum electric field in the grating ridge, match layer, and metal layer is minimal near the central wavelength. Moreover, MMDG should be used at larger incident angles while keeping enough bandwidth to reduce the electric field in the grating.     

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦.研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍.研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.