畴腐蚀掺镁铌酸锂光分束器的泰伯效应研究

基于菲涅耳衍射理论分析了畴腐蚀二维周期结构掺镁铌酸锂晶体光分束器的泰伯效应,对光分束器不同占空比D及泰伯分数β条件下的近场光衍射自成像进行了数值模拟研究。设计并制备了不同占空比的畴腐蚀掺镁铌酸锂晶体光分束器,并对其进行了分数泰伯光衍射自成像的实验研究,得到了不同泰伯分数β条件下的近场光衍射强度分布。结果表明,当光分束器占空比D=52%、泰伯分数β=2时,近场衍射自成像效果最佳,实验结果与理论研究结果相符。     

用严格耦合波分析法测试周期极化LiNbO_3晶体畴结构

为了无损表征周期性极化晶体的畴结构,用严格耦合波分析法分析了周期性极化铌酸锂晶体的周期和占空比.以波长为532nm,功率为20mW的连续激光器为光源,TE偏振光垂直入射周期性极化的铌酸锂晶体表面,同时对晶体施加电压以改变其正负畴间的折射率差,通过光电探测器检测各衍射级的衍射效率.使用最小二乘法将光电探测器记录的实验数据与严格耦合波分析模拟的结果进行优化拟合,反演出晶体的周期和占空比.测试结果表明,该方法能准确地测试周期性极化铌酸锂晶体的周期和占空比,其周期的测试准确度为0.05μm,占空比的测试准确度为0.05.比布喇格衍射公式计算的晶体周期准确度提高一个数量级.     

利用光衍射效应探测周期极化微结构晶体

以光栅衍射理论为基础，从理论上分析研究了微结构晶体衍射效率与占空比和折射率的关系.采用波长为532nm，最大功率为80mW 的连续激光为光源，分别对周期极化掺镁铌酸锂微结构晶体和周期极化同成分铌酸锂微结构晶体的占空比及极化反转引起的折射率变化进行了测试.测试结果表明，掺镁铌酸锂晶体周期极化反转所引起的折射率改变量大于同成分铌酸锂晶体极化反转所引起的折射率变化. 关键词： 光栅衍射 占空比 折射率变化     

超短激光脉冲对宽带光学物质的微加工

通过讨论超快飞秒激光脉冲和长脉冲宽度的激光脉冲紧导致宽能隙透明电介质的损伤机理和比较超短激光脉冲与长激光脉冲对宽能隙透明电介质的损伤程度，得出超短激光脉冲是一种可对透明宽带电介质进行加工的有效工具的结论。当波长为800nm，脉冲宽度为150fs的激光脉冲紧聚焦到不同的宽能隙透明电介质（K9玻璃和ZK6玻璃）体内时，可制作不同光栅常数的光栅，并在波长为635nm的He-Ne连续激光的垂直照射下，对光栅的远场相对衍射效率和光栅的衍射效率进行了测量。     

一维TiO2亚波长光栅的衍射异常现象及其结构设计

研究了一维TiO₂亚波长光栅（SWG）的衍射异常现象,具体表现为泄漏模共振效应和瑞利异常。研究表明,一定参数条件下的横磁波（TM偏振）和横电波（TE偏振）入射均会出现瑞利异常和泄漏模共振效应。在TM偏振光情况下,会出现传统的窄带、高衍射效率泄漏模共振效应,而在TE偏振光情况下,由于多个接近的泄漏模共振峰相互叠加,故会形成宽带、高衍射效率的反射谱。采用严格耦合波理论计算了一维TiO₂ SWG的衍射效率,研究了光栅周期、高度和占空比对光栅反射率的影响。当光栅周期为0.49μm,高度为0.25μm,占空比为0.34时,SWG具有TE偏振选择性,在0.52μm波段处的反射率接近1,且高反带（反射率达到99.9%以上）宽度为26 nm。优化各结构参数,得到光栅周期、占空比、高度的制作容差分别为1.6%、8.3%、2.0%,故SWG理论上可以作为垂直腔面发射激光器的反射镜。     

同轴双无衍射光的理论与实验

提出同轴双无衍射光的概念。如果两束汇聚角略有不同的同轴无衍射光同时存在，则它们相互之间叠加干涉后产生一种纵向呈周期变化的光场结构，这是一种新的光束空间分布，这种光束在横向仍是一种同心环光斑，可用于精密对准。而在不同纵向位置，这些同心环的强度分布是不同的，且是周期性变化的。同轴双无衍射光的轴向周期性可用于沿光束传播方向的定位。文中提出了双环缝法、分段圆锥透镜法、正弦相位环光栅法等实现同轴双无衍射光的理论与实验方法，分析了同轴双无衍射光的横向与纵向传播的衍射光斑特性，理论计算与实验测量的结果基本相符合。     

锗衬底表面圆柱形仿生蛾眼抗反射微结构的研制EI北大核心CSCD

采用严格耦合波分析方法研究了长波红外波段锗基底的圆柱形周期阵列仿生蛾眼抗反射微结构的衍射特性,并进行理论分析和模拟仿真验证。重点分析了周期、深度、占空比和整体面型轮廓等参数对微结构抗反射特性的影响,得出具有较好抗反射效果的结构组合参数。采用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在锗基底上制备该亚波长周期微结构。通过热场发射扫描电子显微镜对微结构表面形貌进行表征,并应用红外成像光谱仪在长波红外波段分别对双面抛光锗片、单面微结构和双面微结构进行测试对比,结果显示在8~12μm范围内双面微结构的反射率小于8%,基本达到设计要求。     

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

 采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1 550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1 550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为l0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9l0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。     

一种提高频率选择表面通带透射比的新方法

为得到带宽较窄且透射比较高的频率选择表面(FSS)结构,以Y环单元为基础提出了一种提高通带透射比的新方法,即在周期单元内设置圆形孔径,运用谱域Galerkin方法对这种结构的传输特性进行了数值分析,确定R=0.4 mm,单元周期内圆孔个数为12,中心频点15 GHz的透射比提高0.12 dB;采用镀膜与光刻相结合的技术...     

亚波长浮雕光栅的衍射和抗反射及增透研究

研究了亚波长光栅的衍射对抗反射和增强透射性能的影响。理论分析表明,如果要达到抗反射和增强透射的双重效果,需要避免衍射引起的横向波导损耗,光栅周期要足够小;而如果只需要达到抗反射效果,可利用光栅衍射形成横向波导共振降低反射效率,此时光栅周期不需要很小。利用严格耦合波理论对周期、占空比及凹槽深度等结构参数进行优化。采用激光干涉光刻法制作了周期为290 nm的一维浮雕光栅,并测试其透射及反射光谱,结果表明这种结构在大角度范围内对可见光波段有明显的抗反射效果,但是只有波长在非衍射区才具有透射增强效果,而在衍射区透射降低。该研究实验和理论分析相一致,研究结果为根据应用要求合理选择光栅周期、降低制备工艺提供了清晰的物理图像和参考。     

同轴电介质-金属-电介质结构表面等离激元色散研究

从平面电介质-金属薄膜-电介质对称结构中表面等离激元的色散方程出发,建立模型推导得到了同轴电介质-金属薄膜-电介质结构中表面等离激元的色散方程,在这种结构中各阶模式都发生了分裂,形成了高折射率高损耗和低折射率低损耗的两种模式,该模型为理解同轴电介质-金属薄膜-电介质结构表面等离激元模式的传播提供了直观的图像。用色散方程计算了0.5～1.5μm波长范围内各阶模式的等效折射率以及传输损耗,并将该结果与有限元方法数值模拟得到的结果进行对比分析,分析表明,两者吻合得很好。并分析了计算结果以及色散方程的适用范围。     

金孔阵列电介质与金电介质孔阵列的强透射特性

采用时域有限差分（FDTD）法研究了金膜厚度、电介质折射率及其厚度对金孔阵列电介质与金电介质孔阵列两种结构强透射特性的影响。研究发现这两种结构都具有较好的强透射特性,这表明光与金膜表面自由电子的电荷密度波耦合成表面等离子激元（SPP）,对增强透射起到了关键作用。金膜厚度是影响强透射特性的主要因素,其衰减长度为35 nm;而与金膜相邻的电介质膜厚度对强透射特性影响极小。电介质折射率大小对强透射特性影响明显,折射率为1.8时能够获得较好的强透射特性。     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.     

基于超晶格结构衍射图的倒易矢量分布

根据超晶格结构的激光衍射图,提出了一种定量确定倒易矢量分布的实验方法.首先,将正方形周期超晶格结构作为参考光栅,得到其衍射图.根据傅里叶光学理论,计算出基本倒易矢量的大小,与衍射图上的几何长度建立标尺关系.通过引入矩形超晶格结构,证明了该方法在周期超晶格结构中的可行性.其次,将H型和谢尔宾斯基分形超晶格结构作为光栅,获得的衍射图与正方形结构衍射图进行对比.由衍射点间的几何长度比值,推算出分形衍射图中的倒易矢量分布.根据倒易矢量和准相位匹配谐频的基频波长之间的定量关系,理论计算出能够进行的谐频波长.最后,实验制备分形结构LiNbO3非线性光子晶体,探测准相位匹配倍频,所实现的倍频波长与理论计算值相吻合.谢尔宾斯基分形结构光栅在理论与实验上均可实现1.352μm的有效倍频输出.     

1维介质光栅近场及其衍射的FDTD分析

 应用FDTD方法计算了单色平面波斜入射时1维介质光栅的近场，进而求出介质光栅的衍射效率。借助于周期边界条件，整个计算区域为周期结构的一个单元。考虑入射波在两种介质界面上会产生反射和透射，故在总场边界上引入入射波、反射波和透射波。给出了光栅单元截面为矩形和梯形的算例。该方法可用于斜入射情形下具有复杂结构和任意单元截面的介质栅近场及其衍射特性分析。     

一种二元整形元件激光直写方法的实验研究

为了实现具有复杂位相结构的二元光束整形元件,提出了采用方光点的激光直写系统来逐点光刻浮雕位相结构的方法,通过双远心投影缩微光路获得5-20 μm方点,光点尺寸对应于最小位相单元,从而获得了位相结构的高质量直写.分析了高斯光点和方光点位相单元结构对二元整形元件衍射效率的影响,方形两台阶二元整形元件的+1级衍射效率达到31%,给出了实验结果.     

蝴蝶形中空表面等离子体波导的传输特性

本文设计了一种蝴蝶形中空表面等离子体波导,并对其传输特性进行了研究.采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何参数和工作波长的变化关系进行了分析.结果表明:沿纵向的能流主要分布在由四个圆洞所构成的上下两个尖角之间的区域,且越接近尖角,沿纵向的能流越大.对中空圆洞的半径、上下两排圆洞圆心间横向距离和左右两列圆洞圆心间的纵向距离进行调节,模式的有效折射率、传播长度和模式面积也随之变化.在工作波长确定的条件下,相对于b=r/4的情况来说,当b=r/2时,上下两个尖角之间的距离较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率就较大,传播长度也较大.在几何参数确定的条件下,相对于λ=705.0 nm的情形来说,在λ较大时,场的分布范围较大,场与金属表面的接触面积较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离较长.与由两个和三个空心圆柱构成芯区的表面等离子体波导相比较,蝴蝶形中空表面等离子体波导具有良好的传输特性.如果在波导结构中心填充增益介质,可以克服较大的传播损耗,因此这种蝴蝶形中空表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域.     

电介质桁架对频率选择表面传输特性的影响

为了分析电介质桁架结构对频率选择表面(FSS)传输特性的影响,以Y环单元的FSS和聚酰亚胺材质制备的桁架结构为例,采用时域有限差分方法进行计算和分析.建立物理模型并定义了孔径阻挡比P,通过分析证明了改变桁架的周期T以及肋骨的宽度D会对FSS的传输性能产生规律性影响,成为衡量电介质桁架结构的主要参数,且孔径阻挡比P的提高将增加传输损耗.当T值由无限大变为80 mm时,通带透过率平均下降超过0.9 dB;当D值由0变为20 mm时,通带透过率平均下降超过1 dB.当P值小于12.11%时通带不产生偏移现象;当P值小于4.12%时,桁架对FSS的影响可忽略不计.采用镀膜和光刻工艺制备FSS试件、数控机械加工方式制备电介质桁架,并在微波暗室中进行测量,验证实验与计算结果相符合,为拟采用电介质桁架结构的FSS隐身雷达罩工程应用提供了理论与实验的参考依据.     

非啁啾取样光纤布拉格光栅反射峰值波长的分析

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(SFBG)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。     

基于体全息光栅的光学相控阵放大级设计

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围,设计了基于体全息光栅的放大级,研究了光栅结构参数及其制作误差对性能的影响规律,提出了容差优化方法。研究结果表明:光栅厚度和折射率调制度是影响衍射效率的主要参数,光栅周期和光栅厚度是影响角度选择性的主要参数。光栅出入射角由光栅周期和光栅矢量倾斜角决定,在保持角放大率不变时,可以通过在出入射面内旋转介质调节这两个参数。实际制作中,光栅周期误差和光栅矢量倾斜角误差会导致衍射角偏离设计值,读出光波长越长,光栅周期误差的影响越小;光栅后面介质折射率越高,光栅矢量倾斜角误差影响越小。增加光栅厚度设计值可以减小光栅厚度误差对衍射效率的影响,而减小光栅厚度设计值可以减小折射率调制度误差对衍射效率的影响,实际制备时,需结合系统需求进行综合设计。