基于Bragg反射面结构的衍射光栅设计与研究

基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构,本文提出利用一维光子晶体带隙理论进行Bragg反射光栅设计.通过光学仿真软件OptiFDTD对Bragg反射光栅的宽度及倾斜角度误差的仿真分析,发现Bragg光栅齿刻槽宽度变化在10%范围、倾斜角度10°以内不会引起Bragg光栅衍射效率的明显变化,说明Bragg反射光栅具有较高的工艺误差容限;根据一维光子晶体带隙理论,设计了一种罗兰圆结构的Bragg衍射双光栅结构模型,实现了两个频段之间的衍射分光,优化分析结果表明:当第一套光栅中Bragg周期层数为6、第二套光栅Bragg周期层数为10时,两频段波长的衍射效率均可以达到70%左右,明显高于传统深刻蚀的衍射光栅.基于本设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG波分复用器,为未来高效密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法

为使凹面光栅的衍射能量更多地集中在所需要的级次上,提出了利用机械刻划的方法在凹面基底上制作变刻槽角度的凹面闪耀光栅,并利用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式推导了同时在主截面和非主截面内计算凹面闪耀光栅衍射效率的理论方法,弥补了以往只在主截面内考虑衍射效率的不足,最后利用Matlab仿真软件模拟了衍射效率随波长的变化曲线,并对比了在不同制作和使用参数下衍射效率峰值的变化规律,为今后凹面光栅的设计和制作提供了参考价值。     

二元光学液晶闪耀光栅的特性分析

在二元光学理论的基础上,结合波动光学理论和液晶指向矢的计算提出一种新的二元光学液晶闪耀光栅设计.对液晶光栅电极施加阶梯分布的电压使之形成相位阶梯形分布,推导出液晶闪耀光栅的衍射效率.结果表明,通过改变周期单元光栅电极数日而改变光栅常数,可以改变光衍射角度,一级衍射角度调节范围0°～10°;调节电极电压可以使特定级次衍射光效率达到90%以上,使该级次得到闪耀.     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

凹面光栅衍射效率的研究进展

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中,尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集,其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展,比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别,分析了现有计算衍射效率方法的优缺点,并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测,提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。     

中阶梯光栅-平面镜型空间外差拉曼光谱仪对无机化合物的探测

为了实现高分辨率、宽波段的空间外差拉曼光谱探测,使用中阶梯光栅的四个衍射级次,每个级次的对应一定范围光谱,总的光谱探测范围得到了扩增,最终根据设计,搭建了一台中阶梯光栅-平面镜的空间外差拉曼光谱(Echelle-Mirror Spatial Heterodyne Raman Spectroscopy, EMSHRS)实验平台。通过标准光源进行光谱定标得到该仪器的理论光谱分辨率为1.033 cm^(-1),单个衍射级次对应的波段宽度为1058 cm(-1),单个衍射级次对应的波段宽度为1058 cm^(-1),最后对三种无机物进行了光谱探测和分析,实验结果表明中阶梯光栅-平面镜型空间外差拉曼光谱技术可实现对无机物的快速、高分辨和宽波段检测,具有良好的应用前景。     

利用光电检测技术分析光栅衍射

本文利用光电检测技术对光盘光栅的衍射特性进行研究.实现了对分光范围、衍射光强分布、衍射叠级、自由光谱范围、衍射角与衍射光波长的线性度、角分辨率和光栅常数等光栅参数的观测和计算.该实验结果与衍射理论结果一致.该方法在一定程度上弥补传统光栅实验的不足,有利于增进本科生对大学光学中衍射光栅的认识.     

Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了Bragg光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析光纤光栅的耦合模时,发现了耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了将傅里叶变换和模式耦合融合在一起的Bragg光纤光栅反射谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换得到Bragg光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式耦合分析计算,从而得到Bragg光纤光栅的光谱特性.根据该理论,仿真分析了Bragg光纤光栅的谱特性,与耦合模理论、直接傅里叶变换法进行了对比分析.结果表明,傅里叶模式耦合理论与传统的耦合模理论及实际Bragg光纤光栅的光谱特性一致,具有简单、清晰、直接、精确和分析效率高的特点,可分析任意轴向折射率微扰分布的Bragg光纤光栅结构.     

取样布拉格光纤光栅的传输矩阵

根据在一般坐标系下均匀布拉格光纤光栅的传输矩阵,得到了取样布拉格光纤光栅的传输矩阵。利用傅里叶变换得到了取样布拉格光纤光栅的谐振方程。结果表明,在不考虑平均折射率变化的情况下,谐振峰的位置是由光栅的周期和取样周期共同确定的,与取样时的占空比、光栅长度和耦合系数没有关系。类似于物理光栅,取样布拉格光纤光栅也存在缺级现象,给出了出现缺级的条件。     

用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅

介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅, 使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小, 然后对光栅施加１．５０ Ｎ的拉力, 在光栅轴向建立应变梯度, 制作出长１５ ｍ ｍ 、峰值反射率达９２％ 、反射半高宽为５ ｎｍ 的啁啾光纤光栅。     

X-ray Bragg diffraction on periodic surface gratings

We report on the X-ray Bragg diffraction analysis of periodic surface gratings on (100) GaAs crystals. We show that the X-ray Bragg diffraction is a very powerful method to investigate ultrafine surface gratings and allow us to determine not only the grating period but, in particular, the width of the grooves and to characterize the quality of the sidewalls, which is not easily possible with optical methods. The X-ray diffraction on surface crystal gratings is analogue to the Fraunhofer diffraction of multiple slits or reflection gratings.     

切趾技术对光纤布拉格光栅法布里-珀罗滤波器反射特性优化的研究

利用矩阵分析法,针对两个相同光栅构成的光纤布拉格光栅法布里-珀罗(F-P)腔滤波器进行理论分析。数值模拟分析了光栅长度变化对光栅以及F-P腔滤波器反射特性的影响,指出光栅长度增加对反射特性影响的优缺点,分析利用常用切趾函数对光栅进行切趾,减小由于光栅长度增加导致反射谱的的旁瓣增大,对组成的F-P腔滤波器的反射特性的优化,得到了光栅切趾对F-P腔滤波器的反射特性的影响规律。对于在实际应用中制作出性能优良的光纤布拉格光栅F-P腔滤波器有一定的参考价值。     

Tilted fiber Bragg grating sensors

Optical fiber gratings have developed into a mature technology with a wide range of applications in various areas, including physical sensing for temperature, strain, acoustic waves and pressure. All of these applications rely on the perturbation of the period or refractive index of a grating inscribed in the fiber core as a transducing mechanism between a quantity to be measured and the optical spectral response of the fiber grating. This paper presents a relatively recent variant of the fiber grating concept, whereby a small tilt of the grating fringes causes coupling of the optical power from the core mode into a multitude of cladding modes, each with its own wavevector and mode field shape. The main consequence of doing so is that the differential response of the modes can then be used to multiply the sensing modalities available for a single fiber grating and also to increase the sensor resolution by taking advantage of the large amount of data available. In particular, the temperature cross‐sensitivity and power source fluctuation noise inherent in all fiber grating designs can be completely eliminated by referencing all the spectral measurements to the wavelength and power level of the core mode back‐reflection. The mode resonances have a quality factor of 10⁵, and they can be observed in reflection or transmission. A thorough review of experimental and theoretical results will show that tilted fiber Bragg gratings can be used for high resolution refractometry, surface plasmon resonance applications, and multiparameter physical sensing (strain, vibration, curvature, and temperature).     

Temperature-insensitive strain measurement using differential double Bragg grating technique

A novel differential double Bragg grating sensor for temperature-insensitive strain measurement is presented. The sensor consists of two identical weak measuring and reference gratings separated by some distance. The reference grating is placed inside the silica capillary that made it almost strain insensitive. The basic idea in differential double Bragg grating sensor is to measure the energy of the oscillating term in the reflection spectrum of double Bragg grating structure. The normalized energy of the interference term depends on the pitch difference of the two gratings and does not change when pitch variations of both gratings are equal with temperature variation. Therefore, the normalized energy of the interference term can be used for the temperature-insensitive strain measurement.     

Mode recoupling in a novel Bragg grating pair

A new type of mode recoupling in a Bragg grating pair, in which one of the gratings is written in the fiber cladding, is proposed to overcome limitations of concatenated long-period and fiber Bragg gratings reported earlier [Opt. Lett. 27, 1214 (2002)]. Its reflection spectrum is similar to that of the previously reported concatenated grating structure; however, the reflectivity can be much larger than the previous limitation of 50%. Furthermore, avoidance of the loss induced by a long-period grating makes such a Bragg grating pair more attractive for practical applications.     

体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5 nm左右,空间分辨率约4 lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9 lines/mm。     

极窄带宽的布拉格光纤光栅光谱特性研究

根据理想模展开下的耦合模方程，对光纤布拉格光栅的峰值反射率公式进行了数学推导，得到了布拉格光纤光栅的光谱反射率表达式。全面讨论了光栅周期、光纤栅长、光致折射率微扰最大值等参数与光纤光栅反射光谱的关系。仿真结果显示了固定参数下布拉格光栅的极限窄带宽，得到的反射率为1、带宽为0.02nm的窄带宽布拉格光栅，比现今分布式传感系统中使用的布拉格光栅的带宽窄1个数量级。这种布拉格光纤光栅用于分布式传感系统，可大大提高分布式传感系统中光源的带宽利用率，消除各信号间的相互串扰，提高传感光栅复用数目，降低解调系统成本。     

Slow and fast light using fiber Bragg grating F-P cavity

In this paper, we analyzed the properties of fiber Bragg grating F-P cavity with different grating parameters at two ends. The features of transmission spectra and group velocity were investigated under different parameters including slight increase for the differences of the lengths of the two gratings, the periods of the two gratings, the refractive index modulation depths of the two gratings. The characteristics of the slow light in fiber Bragg grating and fiber Bragg grating F-P cavity were also compared. The results of this study can be useful for actual experiments and applications in using the fiber Bragg grating F-P cavity in the slow light.