数字型太赫兹带通滤波器的逆向设计及优化

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求,本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中.建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型,从设定器件的目标功能和约束条件出发,利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构,迭代寻优至最优结构图案.本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器.与传统的人工正向设计相比,逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.     

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。     

三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振特性研究

以填充各向异性超常媒质矩形波导中的电磁场解为基础,通过建立与求解填充各向异性超常媒质交错结构的矩形谐振腔的谐振方程,深入研究了三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振特性.结果发现,三维各向异性超常媒质交错结构的亚波长谐振条件具有更为多样性的物理解,在固定参数下,其物理解的个数往往超过一个,还针对谐振结构的横向尺寸对亚波长谐振条件的影响进行了讨论.结果表明,随着横向尺寸的减小亚波长谐振条件的物理解数量将逐渐增多直至趋于无穷.这意味着即使超常媒质的本构参数无法控制,仍然可以通过调节谐振结构的横向尺寸来得到亚波长谐振腔. 关键词： 各向异性 超常媒质 交错结构 亚波长谐振     

基于ybar-y图的光学结构计算方法研究

本文基于y_bar-y图, 建立了计算光学系统一阶结构的数学模型, 并利用粒子群优化算法对模型进行了求解, 可以自动优化出各种光学系统的一阶结构. 编写了一套含图形用户界面(GUI)的软件, 将光学系统的基本设计要求进行处理后导入GUI, 求解之后利用商用光学设计软件如ZEMAX等, 将一阶结构转换为实际透镜结构, 然后经过透镜优化, 就可以设计出满足要求的光学系统. 根据本文所提出的光学结构计算方法, 首先进行了1300万像素手机摄像物镜的设计, 该物镜使用了4片非球面, 各项性能指标能够满足设计要求. 然后设计出一套头盔显示光学系统的目镜, 使用了两片非球面透镜实现了90°的视场角, 其他的性能指标也都满足要求. 两类光学系统的设计实例验证了该方法是一种可靠的光学系统一阶结构获取方法.     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

基于光栅结构的远场时间反演亚波长源成像

针对远场微波成像所存在的瑞利极限,分析了实现亚波长成像的关键因素;继而通过设计光栅结构将近场的凋落波转化为传输波,实现了将凋落信息传输到远场区域;之后结合所设计的辅助光栅结构,构建了一套基于时间反演技术的远场成像系统.仿真和实验结果表明,所设计的辅助结构能将凋落波转为传输波,并且所构建的成像系统能够分辨出两个相距小于半波长的源目标.整个系统的设计为远场微波超分辨率成像提供了一种新的思路.     

用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅设计

根据亚波长光栅的导模共振异常特性,提出三角形槽亚波长光栅实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的技术方案.定义了用于描述谐波分离性能优劣的谐波分离品质函数,对影响三角形槽亚波长光栅的谐波分离品质函数的光栅参量进行了详细的分析,基于矢量衍射理论设计了能够实现谐波分离的三角形槽亚波长光栅,确定了用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅的设计思路和方法.     

用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅设计

根据亚波长光栅的导模共振异常特性,提出三角形槽亚波长光栅实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的技术方案.定义了用于描述谐波分离性能优劣的谐波分离品质函数,对影响三角形槽亚波长光栅的谐波分离品质函数的光栅参量进行了详细的分析,基于矢量衍射理论设计了能够实现谐波分离的三角形槽亚波长光栅,确定了用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅的设计思路和方法.     

亚波长金属聚焦透镜结构参数的优化与分析

提出同时优化亚波长金属透镜结构凹槽宽度和深度,以改善亚波长金属透镜的聚焦特性.基于有限时域差分法,详细研究了凹槽宽度和深度变化对其焦斑的峰值半宽、焦斑强度、归一化聚焦效率以及焦距的影响.通过探讨金属透镜的聚焦规律及其物理机理,给出了金属透镜的优化设计方法,为利用金属透镜实现光波的纳米聚焦及灵活操控提供了理论基础.     

Optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for polarizing beam splitter based on effective medium theory

A novel optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for the polarizing beam splitter (PBS) is proposed. The method is based on effective medium theory and the method of designing single layer antireflection coating. The polarization performance of PBS is discussed by rigorous couple-wave analysis (RCWA) method at a wavelength of 1550~nm. The result shows that sub-wavelength metal rectangular grating is characterized by a high reflectivity, like metal films for TE polarization, and high transmissivity, like dielectric films for TM polarization. The optimal design accords well with the results simulated by RCWA method.     

基于RCWA的太阳能电池抗反射膜分析研究

利用严格耦合波分析法（RCWA）分别计算了五种不同形貌的亚波长浮雕结构的太阳能电池抗反射膜性能,分别从占空比、光栅高度和周期等结构参数以及入射光角度进行模拟。研究结果表明：周期为200rim,高度为400nm,占空比为1的金字塔型浮雕结构的抗反射效果令人满意,且平均反射率低于1％;光波的入射角对光栅的反射率影响较大,光波在光栅法线的角度控制在40°以下合适。通过对亚波长浮雕结构的反射特性模拟和分析,为太阳能电池抗反射膜设计与制作提供理论支持。     

一维增透亚波长光栅的研究

将具有高透射性的亚波长光栅置于微机械波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)的内腔当中可以提高波长的调谐范围,为了使波长调谐范围达到最优则必须优化高透射性的亚波长光栅使其透射率达到最大。利用严格耦合波法分析了亚波长光栅的占空比、周期、厚度和入射角对其透射率的影响并找出最优的光栅参数。通过计算分析可得,对于TE和TM偏振存在最佳的占空比使其透射率达到99.5%。在文中条件下,它们对应的占空比分别为0.23和0.80。而光栅厚度对于TE和TM偏振透射率的影响是周期性的,在一个周期内存在一个最佳值使其透射率达到最高。在文中条件下,TE偏振的厚度周期是150 nm,TM偏振的厚度周期是300 nm。当光栅参数不变时,无论是TE还是TM偏振光,它们的透射率只有在垂直入射光栅时(入射角为0°)才能达到最大。而通过等效介质原理可以得出,周期对透射率没有影响。最后计算了透射率在光栅厚度和占空比同时变化时的变化趋势,并从中得出最优的光栅参数。     

Optical characteristics of subwavelength metallic grating coupled porous film surface plasmon resonance sensor with high sensitivity

A high performance sub-wavelength metallic grating coupled surface plasmon resonance (SWMGCSPR) sensor with metal and porous composite layer is proposed. Rigorous coupled-wave analysis (RCWA) is conducted to prove the design feasibility, characterize the sensor's performance and determine geometric parameters of the structure, which is also employed to compute the electromagnetic (EM) field distributions at the resonant wavelengths. Parameters of sensing platform are optimized to achieve the best performance of the SPR sensor. Obtained results reveal that the proposed structure can excite SPR with negative diffraction order of SWMG. Both wavelength and angular sensitivities are greatly enhanced because surface plasmon wave (SPW) exhibits a large penetration depth which will enlarge the distance of interactions between SP and analytes. The detection sensitivities and quality parameters are estimated to be 700 nm/RIU and 509°/RIU with full width at half maximum (FWHM) less than 2.5 nm using the same optimized structure.     

共振域矩形介质光栅的逆向设计

采用模态法研究了共振域光栅分束器及闪耀光栅等光学器件的设计原理及逆向设计方法,给出了-1级非偏振闪耀光栅的典型设计示例。研究表明,自准直角入射时,光束在光栅内传输将激发产生离散模,通过调节离散模透过光栅传输时的累积相位差,可对衍射光进行调控,实现偏振(非偏振)分束、偏振(非偏振)闪耀等功能。采用严格耦合波法对基于模态法逆向设计的-1级非偏振石英闪耀光栅的几何参数进行验证,计算结果显示两者非常吻合,证明了该方法的正确性。     

Unified design of wavelength-independent deep-etched fused-silica gratings

We present a unified design of wavelength-independent deep-etched fused-silica gratings as polarizing beam splitters and polarization-independent two-port beam splitters by using the simplified modal method. By defining unified grating parameters as the ratio of incident wavelength to grating period and the ratio of groove depth to grating period, unified grating structures are found to be approximately wavelength-independent, which is based on the modal view of the accumulated phase difference of two excited propagating grating modes. Diffraction efficiencies given by the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) verified this unified design at the wavelength of 1064 nm. It should be noted that this unified design of wavelength-independent gratings is an analytic result, which is impossible to be derived with the well-known numerical RCWA. Modal method is powerful and presents a clear physical picture for us to obtain this unified design. Therefore, this unified design can be used as a general guideline for designing deep-etched fused-silica gratings as beam splitters for practical applications from ultraviolet to near infrared.     

提高光栅衍射计算收敛性的途径

从数学原理、几何分层,以及数值计算三方面,分析了耦合波法在计算光栅衍射时的收敛性问题,提出了改善计算收敛性的途径.并明确指出对于不同的光栅问题,影响计算收敛性的主要因素是各不相同的,计算时应该针对具体的问题采用相应的改善方法. 关键词： 耦合波法 校正傅里叶展开 多层近似 收敛     

Modal analysis of deep-etched low-contrast two-port beam splitter grating

Modal analysis of a deep-etched low-contrast two-port beam splitter grating under Littrow mounting is presented. The guideline for the design of a subwavelength transmission fused-silica phase grating as high-efficiency grating, polarizing beam splitter (PBS), and two-port beam splitter, is summarized. As an example, a polarization-independent two-port beam splitter grating is designed at wavelength of 1064 nm. We firstly analyzed the physical essence of the grating by the simplified modal method. The guideline for the grating design and the approximate grating parameters are obtained. Then using the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) with parameters varying around the approximate ones, optimum grating parameters can be determined. With the design guideline, the time for the rigorous calculation of the grating profile parameters can be reduced significantly.     

基于金属-介质-金属结构的反射式彩色滤光片特性研究

研究了金属-介质-金属结构在可见光波段的反射滤光特性。该结构由柔性透明基底、金属层、介质-金属纳米光栅结构组成。利用严格耦合波分析法(RCWA)模拟了TM偏振光入射时,亚波长介质-金属光栅的占宽比、周期和厚度等结构参数对反射光谱特性的影响。理论模拟结果表明:光栅的结构参数变化可改变反射波段,进而调节滤光颜色。在此基础上,进一步优化结构参数,得到了基于减色法的彩色滤光片结构,获得了青色、品红色和黄色三原色。该结构的主要优点是,当入射角在0～45范围内变化时,反射光谱谷值位置和反射带宽基本不变。本文所提出的结构特别适合用于反射式彩色显示。     

一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计

为了提高OLED出光效率,在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构,并结合等效介质理论和薄膜光学原理,设计光栅参数:刻蚀深度0.29 μm,周期大小0.165 μm,底边直径与周期的比值等于1,可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响,结果表明,出光效率最高可提高30%。