亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

带有高折射率介质层的金属光栅偏振器特性的研究

研究了一种亚波长金属光栅偏振器在可见光波段的透射与消光特性。与传统亚波长光栅偏振器不同的是,通过在基底和光栅之间增加一层高折射率介质薄膜,提高了TM偏振光透射率和消光比。利用严格耦合波分析法(RCWA),模拟了高折射率介质层厚度、光栅占宽比对透射率和消光比的影响。计算结果表明,在整个可见光波段,合适的介质层厚度可使透射更加均匀并且当入射角在0～60°变化时,TM偏振光的透射率和消光比仍可分别达到79%和50 dB。这种带有高折射率介质层的亚波长金属光栅偏振器结构紧凑,性能优良,特别适合作为液晶平板显示中的偏振分光器件。     

光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模特性研究

分析了光纤布拉格光栅构成的法布里-珀罗（F-P）腔的透射谱特性，讨论了光栅带宽，反射系数相位因子以及腔长对F-P腔透射特性的影响，并对F-P腔随温度和应变的特性进行了分析，然后给出如何设计在光栅中心耦合波长处单模运转的法布里-珀罗腔.并提供了数值模拟结果和实验结果. 关键词： 光纤布拉格光栅 法布里-珀罗（F-P）腔 光纤激光器     

级联亚波长平面介质栅偏振分束器研究

提出了一种纳米厚度金属层连接的级联亚波长平面介质光栅三明治结构,利用该结构中纳米金属连接层上下界面处的表面等离子共振的互作用形成多波长共振的特点设计了适用于光通信波段（1 300～1 600nm）高性能的宽带偏振器和宽带偏振分束器。利用严格耦合波理论分析发现偏振分束器带宽主要由金属连接层厚度控制,光栅厚度基本不影响偏振分束器带宽,只影响共振深度和共振波长。该结论为后续的制备提供了理论指导和借鉴作用。     

金属/介质/金属光栅结构强化吸收特性

本文从电磁场理论出发,研究了单层光栅的金属/介质/金属结构的共振,利用严格耦合波方法计算了金属/介质/金属光栅结构表面的光谱特性,利用金属/介质/金属膜层结构的色散关系和等效LC回路模型两种理论对金属/介质/金属光栅结构表面的共振现象进行研究,讨论了几何参数对金属/介质/金属光栅结构共振的影响,结果表明单层光栅的金属/介质/金属结构的共振由金属/介质界面上的表面等离子极化之间的耦合产生。     

光纤光栅法布里-珀罗腔的腔、栅边缘特性分析

把组成光纤光栅法布里-珀罗腔的两个光纤光栅的初相位纳入了讨论范围,用耦合波方程推导了任意初相位下光纤光栅法布里-珀罗腔的透射和反射率的表达式.其中的相位因子包含了由光传播常数调制的腔长、光纤光栅的相位突变、光纤光栅仞相位和由光纤光栅空间频率涮制的光栅长度等四部分.分析了光纤光栅初相、由光栅空间频率调制的光栅长度两个因子对反射谱的影响,并提出了一种把光纤光栅法布里-珀罗腔等效为理想法布里-珀罗腔的方法.     

二维亚波长金属光栅多波长透射滤光片EI北大核心CSCD

为实现阵列化、多波长光探测器件的微型化与集成化,设计了一种基于亚波长金属光栅导模共振原理的透射滤光片。利用波导理论分析了二维金属光栅波导对称和非对称两种结构的共振特性,数值仿真分析了光栅各参数如占空比、光栅厚度、侧壁角度等对透射谱线的影响,并给出了结构优化参数范围。研究表明,透射滤光片的峰值波长与半峰全宽（带宽）取决于光栅周期和缓冲层厚度,带宽的调节范围为2~45 nm,最大透射率为81.7%,所设计的滤光片具有偏振无关性,较好地满足了当前微流控芯片、生物传感阵列等微量样品集成化探测的需求。     

吸收增强的光栅型金属-半导体-金属光电探测器的优化设计

针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求,本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象,提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法,详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响,证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言,探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580,91,360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比,本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容,有望在可见光通信芯片中得到实际应用。     

利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强

构建基底/窄刻槽金属光栅/覆盖层/石墨烯结构,利用金属光栅激发的表面等离子体激元共振和窄光栅刻槽支持的法布里-珀罗共振,在可见光波段实现单层石墨烯的双通道吸收增强,并结合简化模型估算出双吸收通道所在位置.在波长462和768 nm处,石墨烯的光吸收效率分别为35.6%和40.1%,相比石墨烯本征光吸收率的增强均超过15.5倍.进一步研究发现由于短波处吸收增强源于金属光栅的表面等离子体激元共振,其吸收特性受覆盖层厚度、刻槽深度和宽度变化的影响较小;而由于长波处吸收增强源于窄刻槽中的法布里-珀罗共振,因此呈现出良好的角度不敏感吸收特性.     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响,分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移,用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数,对传统耦合模理论进行了修正,增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算,可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响,与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

一种新型可调谐红外滤光片的设计和应用

可调谐红外滤光片是高分辨率红外成像仪谱段识别和分光的重要光学器件.本文介绍了一种新型可调红外滤光片———液晶法布里-珀罗滤光片的基本原理、设计参数、制作方法,分析了这种滤光片的透射光谱、精细度、带宽、镜面反射率和腔长之间的关系,以及外加电压和温度对透射波长的影响,给出了消除偏振效应的几种方案.并对液晶法布里-珀罗滤光片在空间遥感,特别是红外探测方面的应用前景进行了展望.     

光纤光栅法布里-珀罗腔中受激布里渊散射的理论研究

对光纤光栅法布里-珀罗腔中稳态受激布里渊散射模型进行了理论分析,在其耦合强度方程组基础上,推导出仅产生一阶斯托克斯波时,耦合强度方程组的解析表达式,由此计算出光纤光栅法布里-珀罗腔中抽运波与斯托克斯波透射功率和反射功率。对于光纤光栅法布里-珀罗腔中二阶斯托克斯波的产生,推导出光纤光栅法布里-珀罗腔入射端抽运波的解析表达式和忽略光纤损耗时能量守恒方程,利用Shooting和L-M算法数值求解出耦合强度方程组。分析讨论了抽运波,一阶斯托克斯波和二阶斯托克斯波的反射与透射功率随着入射波功率变化的情况。最后,仿真出光纤光栅法布里-珀罗腔中,抽运波与斯托克斯波沿腔长分布的情况。     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性

用特征矩阵法研究了薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性。研究发现:随着入射角增大,s偏振光透射模和p偏振光透射模的波长逐渐分离,但分离的幅度较小;随着入射角增大,s偏振光透射模的透射率作幅度较大的震荡变化,而p偏振光透射模的透射率变化较小;当入射角以1°/100的间隔变化时,可以在透射模波长不变的情况下,使s偏振光透射模的透射率发生显著变化,而p偏振光透射模的透射率基本不变。薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性可以在角度变化的测量中发挥重要作用。     

两种亚波长金属波片的透射特性对比

综合等效介质理论和表面等离子激元(SPP)Bloch模型,对比分析了两种新的亚波长光栅结构:二维矩形金属光栅和二维椭圆柱金属光栅。利用时域有限差分(FDTD)算法,对比分析了两种结构的透射率及其相位延迟与入射光波长及偏振角变化的关系,尤其两种结构实现λ/4波片功能所对应的透射特性。仿真结果表明,当入射光偏振角为75°时,两种结构均可实现λ/4波片功能,此时二维矩形和椭圆柱金属光栅的透射率分别为0.77和0.67,表明二维矩形金属光栅比椭圆柱光栅具有更好的透射效果。对应550～800nm的入射波长,两种光栅在各自允许的入射偏振角范围内均表现了较为平坦的宽带透射特性。     

复合法布里-珀罗共振声学结构实现亚波长超声聚焦的研究

提出一种多通道的声学结构,实现超声平面波的亚波长聚焦。该声学结构由整数倍长度的亚波长孔径组成,所有的通道同时产生法布里一珀罗共振,含有亚波长信息的倏逝波与结构中的透射共振模式耦合放大,实现亚波长聚焦;进一步在结构表面添加凹槽,延拓结构表面的周期性,可提高特定频率处的透射增益和亚波长聚焦分辨率。研究结果表明该结构能够在宽频带实现亚波长聚焦,增加传输增益。该结构在医学超声成像以及治疗具有潜在的应用价值。      

横电波激励下亚波长一维金属光栅的异常透射性

针对一维亚波长金属光栅异常透射现象实现的问题,利用时域有限差分法,对横电波（TE波）激励带电介质的亚波长一维金属光栅的光场分布进行了模拟分析,得到了TE波的透射率与电介质折射率的变化关系,从而发现TE波在所研究的模型下具有异常透射现象.基于导模共振理论建立了类导模共振理论,并应用该理论较好地解释了TE波在所研究模型下的异常透射现象,确定类导模共振是TE波产生异常透射性的主要原因.应用所建立的理论解决了传统透射理论无法解决的问题.类导模共振理论揭示了异常透射现象的物理本质,为进一步研究异常透射性的物理本质提 关键词： 金属光栅 横电波 异常透射 类导模共振     

基于切趾取样光栅单信道直流平衡技术的光栅滤波器

提出了一种利用取样光栅周期的啁啾平衡切趾取样光栅单信道内直流分量的方法,基于该方法的切趾光栅滤波器具有波长设计灵活小受限于模板周期和只需一次曝光过程、亚微米量级制作精度的优点.利用均匀光栅最大反射率测量模型和零点带宽测量模型得到了实验所使用的载氢光纤紫外光致折射率变化量与曝光时间的关系.在此基础上,利用提出的新方法设计并实验制作了中心反射波长为1549.84 nm,3 dB带宽分别为75 pm和55 pm的两根升余弦切趾光栅滤波器,实验制作与理论设计仿真结果非常接近,成功消除了取样光栅-1级子光栅谱短波长方向处的法布里-珀罗共振现象,得到的光栅滤波器反射谱和透射谱具有良好的对称性,反射谱边带抑制度在20 dB以上.     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率，低旁带反射，窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注，采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能，在弱调制模式下，其共振带宽可以被压缩到零点几纳米，但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射，使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高，根据等效介质理论，亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜，本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计，有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率，从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波     

超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于开口谐振环-介质-光栅3层结构的超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器件,研究了各层透射系数谱以及结构参量对偏振转换的影响,通过计算结构电场和电流分布分析了器件的工作原理.模拟结果表明:设计的器件实现在0.5~2.7THz频谱内,将入射的y偏振太赫兹光转换成x偏振光,转换效率高达99%.由结构电场分布以及表面电流分布推出,入射的y偏振太赫兹光耦合到开口环上,形成振荡的电偶极子,并辐射出太赫兹波x偏振分量.底部光栅层的作用是透过x偏振分量,并将剩余的y偏振光反射回开口环层,并在开口环层和光栅层间形成法布里-珀罗反射进一步提高偏振转换效率.可通过优化介质层厚度、光栅宽度和阵列周期关键参量来优化器件的转换性能.