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。     

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     

角度调谐滤光片特性分析及膜系设计

对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20 nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.     

激光诱导多层光学薄膜损伤分析与仿真

提出一种全面分析光学薄膜损伤特性的方法,根据热传导理论与电子增殖理论建立激光辐照下多层介质膜的损伤理论模型。以HfO₂/SiO₂多层高反膜为例,计算红外纳秒脉冲激光作用下膜系内部的温度场、应力场以及自由电子数密度分布,对其热学特性与电子增殖特性进行综合评估后,得到不同输入条件下膜系的损伤阈值。结果表明,薄膜材料的损伤特性会受到驻波场的影响,在1064 nm波长的激光辐照下HfO₂/SiO₂ 多层介质薄膜的热致应力损伤效应先于热熔融效应先于场效应发生,且薄膜中SiO₂层发生热损伤,而薄膜并未发生场损伤,此外薄膜的损伤阈值随着激光脉宽的增大而增大。     

激光斜入射窄带滤光片的热力效应

基于麦克斯韦方程组及热力学理论,分析了脉冲强激光在不同入射角、不同偏振态下辐照10.6μm窄带滤光片的热力效应,研究了不同入射角及偏振态下的温度场、应力场,计算了激光辐照下热力效应给窄带滤光片带来的通带漂移效应,比较讨论了不同入射角下的损伤阈值.结果表明:随着入射角度的增大,温升峰值的幅值与位置都有了较大的变化;P偏振光与S偏振光辐照引起的温升峰值都随着入射角度的增大逐渐下降;温升峰值的位置随着入射角的增大逐渐靠近滤光片与空气的界面;P偏振光与S偏振光引起的热力效应差异性越来越明显.在激光能量相同的情况下对比了不同激光入射角下的通带漂移特性,小角度入射时滤光片中心波长偏移超过200nm,10.6μm处透射率下降到6%以下.随着入射角的增大,滤光片熔融损伤阈值越来越大,而且在小角度入射时,P偏振光与S偏振光熔融损伤的阈值差别很小;当入射角大于30°时,P偏振光与S偏振光的熔融损伤阈值差别越来越大.以较小的功率实现激光对窄带滤光片的损伤需要考虑激光的入射角及偏振态.     

多功能抗激光损伤高反射膜

为了能同时满足半导体激光器和YAG激光器对薄膜的特殊要求,在分析高反射膜理论的基础上,选取TiO2和SiO2为高、低折射率材料镀制了周期性多层介质高反射膜。研究了材料的光学及机械特性,重点解决了薄膜的消偏振和抗激光损伤问题。实验采用电子束真空镀膜并加以考夫曼离子源辅助沉积,利用TFC软件进行膜系设计,通过调整镀膜工艺参数和监控方法,在10mm×1．8mm的K9基底上镀制了符合要求的高反射膜,结果表明,当激光以45°入射时,薄膜在900～1100nm的P光与s光的反射率均大于99．95％。所制备的高反射膜性能稳定,抗激光损伤阈值高,能同时满足两种激光器的使用要求。     

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.     

斜入射离子束辅助沉积对类金刚石薄膜结构影响的分子动力学模拟

采用分子动力学（MD）模拟方法，从原子尺度上研究了离子束辅助沉积（IBAD）类金刚石（DLC）薄膜过程中离子束入射角对薄膜结构的影响.重点讨论了不同的离子束入射角所对应的薄膜表面模型，平均密度和sp³键含量.结果表明，离子束斜入射加强了入射原子的水平动能，从而加强了原子水平迁移；Ar离子斜入射时C原子迁移率均比垂直入射大，薄膜密度和sp³键含量都比垂直入射小.不同的离子束入射角随着到达比和入射能的变化，对薄膜结构的影响不同.离子束斜入射时可以得到不同结构的膜. 关键词： 类金刚石薄膜 入射角 离子束辅助沉积 分子动力学模拟     

利用非规整膜系实现宽角度入射减偏振、减反射薄膜的研究

利用非均匀膜系理论对宽角度入射减偏振、减反射薄膜进行优化设计,分析了在宽角度入射的情况下,偏振光产生透过率不同的原因,选取了Na3AlF6、Ta2O5和Al2O3三种不同折射率材料,采用BK7作为基底,模拟设计了光谱区在500～560 nm波段、入射角为0~70°之间的多层减偏振、减反射薄膜,设计结果表明,薄膜的透过率得到大幅度提高.     

激光辐射致热单层薄膜温度响应

用热传导方程计算了在脉宽10ns、波长1.06μm的激光辐射下,TiO_2单层膜的温度场分布.结果表明:膜层的热参数增大,其峰值温度明显降低,而基板热参数变化对膜层温度响应影响很小,温度场分布由电场分布决定,1/4波长薄膜的峰值温度低于半波长薄膜的峰值温度.     

基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器

在金属-电介质结构的基础上提出了一种基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器,并采用有限元法研究了横磁(TM)和横电(TE)偏振光入射后结构所表现出的负反射和镜面反射等特性.计算结果表明,当偏振光的入射角设定在20?—70?时,入射的TM光发生强烈的负反射,而TE光的负反射很弱,并随着波长的增加而急剧下降.分析可得偏振分束光栅的理想负反射点和反射面的完美对称响应效果.通过仿真得到了理想负反射点的取值范围.结合严格耦合波法软件,计算不同偏振光入射时负反射和镜面反射条件下的反射率,其消光比高达10~6.     

Incident-angle-dependent reflectance in distributed Bragg reflectors fabricated from ZnO/MgO multilayer films

We present the incident-angle-dependent reflectance spectra of the 10-period ZnO/MgO multilayer films deposited on Si by sputtering technique. As increasing the incident angle, the resonant wavelength and bandwidth of the measured reflectance spectra exhibit redshift and narrower, respectively. The theoretical curves using transfer matrix method taken account of transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarizations are calculated to well describe the variations in the behavior of the experimental spectra. The simulated TE- and TM-reflection band at different angles can evaluate the bandwidth of the resonance band and provide valuable parameters to design an omnidirectional-reflection band in selected multilayer structure.     

TE and TM defective bands splitting in one-dimensional coupled cavity waveguides

Transverse magnetic (TM) and transverse electric (TE) defective bands will split with different incident angles (wave-vectors) in the one-dimensional coupled cavity waveguide. Different defective band properties are shown, including the shift of pass-band frequency and the variation of defective band width resulting from different localization properties of the electric field in the defective layer. The critical splitting angle, at which splitting of the TE and TM defective bands emerges, will decrease with increasing dielectric index of the defective layer.     

Nano-structural characteristics and optical properties of silver chiral nano-flower sculptured thin films

Silver chiral nano-flowers with 3-, 4- and 5-fold symmetry were produced using oblique angle deposition method in conjunction with the rotation of sample holder with different speeds at different sectors of each revolution corresponding to symmetry order of the acquired nano-flower. Atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FESEM), were employed to obtain morphology and nano-structure of the films. Optical characteristics of silver chiral nano-flower thin films were obtained using single beam spectrophotometer with both s- and p-polarization incident light at 30° and 70° incidence angles and at different azimuthal angles (φ). Optical spectra showed both TM (TDM (transverse dipole mode) and TQM (transverse quadruple mode)) and LM (longitudinal mode) Plasmon resonance peaks. For 3- and 4-fold symmetry chiral nano-flowers the s-polarization extinction spectra obtained at different azimuthal angles did not show significant change in the Plasmon peak position while 5-fold symmetry chiral nano-flower showed a completely different behavior, which may be the result of increased surface anisotropy, so when the φ angle is changed the s-polarization response from the surface can change more significantly than that for lower symmetries. In general, for 3-, 4- and 5-fold symmetry chiral nano-flowers a sharp peak at lower wavelengths (<450 nm) is observed in the s-polarization spectra, while in addition to this peak a broad peak at longer wavelengths (i.e., LM) observed in the p-polarization spectra, which is more dominant for 70° incidence angle.     

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属一介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件.利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响.结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱.该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束.     

Resistive high-impedance surfaces (RHIS) as absorbers for oblique incidence electromagnetic waves

This paper presents a lightweight microwave absorber suitable for space applications. The absorber is based on a resistive high-impedance surface (RHIS) optimized to achieve reflection under ?15 dB in the band (2–2.3 GHz) at oblique incidence for transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarizations. A first classical isotropic RHIS structure is shown to be limited to angles of incidence up to 40° for TE polarized waves and up to 35° for TM polarized waves. So the objective of this contribution is to present a second solution based on an anisotropic RHIS structure which presents good absorption of incident waves in TE and TM polarizations for larger angles of incidence. An example is presented for an incidence angle of 65°.     

Chaos synchronization in semiconductor lasers with polarization-rotated optical feedback

Chaotic oscillations of the transverse magnetic (TM) mode, which is not a common lasing mode, are excited by using polarization-rotated optical feedback from the transverse electric (TE) mode in a semiconductor laser. In our previous paper, we found that the dynamics were strongly dependent on their RF components under the condition of moderate optical feedback from the TE mode to the TM mode and that they were divided into three RF regions; low-pass filtered signals with a lower frequency than the laser relaxation oscillation frequency, intermediate RF components including the relaxation oscillation frequency, and high-pass filtered signals with a higher frequency higher than the relaxation oscillation frequency. Depending on the frequency bands, the laser outputs showed different correlations. In the present study, using such schemes, the polarization-rotated beam from a transmitter laser (i.e., the rotated TE-mode beam of a transmitter laser) is injected into a receiver laser. We experimentally observe chaos synchronization in accordance with the dynamics of RF components on the transmitter laser side. We also perform numerical calculations using a model and obtain good agreement between the theoretical and experimental results.     

线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性

利用稳相法和矢量结构理论, 导出了线偏振拉盖尔-高斯光束的矢量结构项TE项和TM项在远场的解析表达式. 进而利用TE项和TM项的远场能流分布, 给出了TE项和TM项的功率占总功率比例的度量式,同时还给出了线偏振拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项三者远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系式. 所得到的公式不仅适用于傍轴情形,而且还适用于非傍轴情形. 通过数值计算, 分析了TE项和TM项在远场的功率占总功率的比例与参数f和模数间的依赖关系;还分析了拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项的远场发散角随参数f、模数和线偏振角的变化关系.这一研究从矢量结构本性揭示了线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性, 丰富了对其传输特性的认识.     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

任意偏振态光束全反射时的侧向和横向位移

光束在电介质界面发生全反射时,实际反射光束会在入射面内相对于几何反射光束产生一侧向位移,在垂直于入射面的方向产生一横向位移。利用改进的能流法研究了任意偏振态光束发生全反射时的侧向和横向位移特性。研究表明,侧向位移的大小与入射光束的两组成部分———TE和TM偏振光的相位差无关,而与两组分的光强比密切相关,且该位移可以表示为TE和TM偏振光束各自的位移按光强的加权平均。横向位移的大小不仅与入射光束两组分的光强比相关,还与组分的相位差密切相关。另外,反射光束不仅在椭圆偏振态入射的情况下会产生横向位移,而且在TE和TM偏振态之外的其他线偏振态入射时,也会产生横向位移。