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。     

亚微米光栅零级衍射特性的数值研究

用耦合波理论分析了亚微米光栅对光波场的衍射作用,给出了在TE和TM偏振入射条件下矩阵形式的耦合波方程,研究了光栅在TE偏振入射条件下可见光波段内的反射和透射零级衍射特性。亚微米光栅零级衍射效率是波长、偏振和入射角的函数,在不同照明、观察和光栅参数条件下,光栅零级衍射具有非常复杂的光谱结构,经过适当的优化光栅参数,零级衍射具有许多独特的衍射特性,在许多应用领域具有广泛的应用前景。     

非对称偏振分束光栅的矢量衍射优化设计

基于严格耦合波理论分析了一种非对称偏振分束光栅的设计。这种偏振分束光栅分别在1级和0级衍射级次上衍射TE和TM偏振波。介绍了利用遗传算法设计偏振分束光栅的方法,并给出了优化实例。仿真结果表明:在设计波长为1.55时,TE偏振波在1级的衍射效率大于93%,TM偏振波在0级的衍射效率大于99%,此时1级和0级的透射消光比分别达到了9914.1和46841.5。通过对设计结果的分析发现,该偏振分束光栅在设计波长附近100nm的波长范围内都具有较高的消光比(大于100),达到了较好的偏振分束效果。     

基于严格耦合波理论的宽光谱金属介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了金属介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE模式金属介质膜光栅衍射效率的表达式.以-1级衍射效率和工作带宽为评价函数,对金属介质膜光栅的表面浮雕结构进行了优化设计.对于800 nm和1053 nm为中心的TE波,设计的金属介质膜光栅-1级衍射效率优于97%的工作带宽分别达到130 nm和150 nm,最后讨论了设计的宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅的制备工艺容差.此研究对于提高脉宽压缩光栅的性能具有重要的意义. 关键词： 衍射效率 金属介质膜光栅 严格耦合波理论     

高密度相位光栅的偏振选择性

高密度光栅具有与传统光栅不同的性质,其衍射特性往往是偏振相关的。本文针对1550nm波长TE/TM偏振入射光和0.5的光栅占空比,利用严格耦合波分析数值计算了不同光栅周期下0级及-1级的衍射效率。研究表明,相比周期为1550nm的光栅,当周期为1200nm时,偏振相关衍射效应明显增强,当光栅周期为890nm时,TE偏振光的衍射效率随着光栅深度呈正余弦变化,而TM偏振光的衍射效率始终集中在0级,具有偏振选择性。通过模式方法,利用模式中的有效折射率概念,研究了不同周期下被入射光所激发的两种光波模式通过光栅区域传播所累积的相位差;基于双光束干涉,模拟了0级和-1级的衍射效率。结果表明,利用严格耦合波分析的数值计算结果符合模式方法的理论预期,对于高密度相位光栅的偏振选择性给予了合理的物理机制解释。     

亚波长介质光栅的闪耀特性分析

采用严格耦合波理论与矩阵LU分解法,求解了亚波长矩形介质光栅的衍射场,给出了TE和TM偏振波的耦合波方程组及其矩阵形式.通过数值计算分析了TE和TM偏振波的入射角、刻槽深度、入射波长等参量对＋1级衍射波衍射效率的影响.结果表明,当Λ=0.5λ0,θ=55°,d=0.38λ0,λ=10.6 μm时可以实现对TE偏振波＋1级的闪耀,衍射效率达到近90%,同时具有较宽广的角度适应范围.     

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     

基于严格耦合波理论的多层介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了多层介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE波自准直条件下多层介质膜光栅衍射效率的表达式.以－1级衍射效率为评价函数,分析了表面浮雕结构分别为HfO₂和SiO₂材料的介质膜光栅获得衍射效率优于96%的结构参数.数值计算表明,顶层材料为HfO₂的介质膜光栅具有更宽的结构选择范围.最后分析了介质膜光栅的制备容差和允许的入射角度范围. 关键词： 衍射效率 多层介质膜光栅 严格耦合波理论     

矩形光栅的衍射特性

本文采用严格的一阶耦合波理论,对矩形光栅的衍射特性进行了分析,给出了TE模和TM模同时具有很高的衍射效率时的光栅结构。计算表明:只有在满足Bragg衍射条件时,TE模和TM模才能达到峰值衍射效率。为了验证理论与编制程序的正确性,将计算结果与已有的资料进行了比较.     

严格耦合波法计算闪耀光栅衍射效率

针对一般标量近似算法精度不高的问题,提出采用S矩阵的严格耦合波的方法计算光栅衍射效率.通过建立完整的闪耀光栅理论模型,对各分层电磁场进行傅里叶级数展开,采用散射矩阵方法求解各谐波系数,完成衍射效率计算.该方法已应用到红外光栅TE和TM 2种模式衍射效率的计算.分析了散射矩阵解决数值运算不稳定的原因,通过与标量近似计算方法进行比较,说明红外光栅衍射偏振特性.     

埋入式光栅双通道特性及其应用研究

利用严格耦合波理论分析了埋入式光栅在45°入射时,垂直和平行于光栅栅线的两个不同观察平面的零级共振反射衍射特性.在垂直于光栅栅线的平面内,TE、TM偏振下零级反射共振波长分别为432 am和420 am,在平行于光栅栅线的平面内,TE、TM偏振下零级反射共振主峰波长分别为623 nm和620 nm,在两个平面内,零级共振衍射光的共振波长差别较大,观察到的衍射光颜色差别明显,定义为双通道特性并用实验进行证明,制作了相应的光变色器件.     

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。     

多层介质膜脉宽压缩光栅的严格矢量分析

用于展宽和压缩激光脉冲的多层膜脉宽压缩光栅是由多层介质高反膜和位于其顶层的浮雕光栅构成。以设计的高反射多层膜为基础,利用傅里叶模式理论分析了其衍射场分布,给出了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜脉宽压缩光栅衍射效率的表达式。以-1级衍射效率为评价函数,分别讨论了HfO2和SiO2为顶层材料时,多层膜脉宽压缩光栅-1级衍射效率高于0.95的光栅结构参量范围。结果表明,在该条件下,选择HfO2为顶层材料时,光栅结构参量有较大的取值范围。给出了优化的光栅结构参量,并分析了光栅制作误差及其使用条件的宽容度,对光栅制作工艺和使用具有一定的指导意义。     

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。     

用于ICF的光栅特性

针对透射光栅的减反射技术、ICF系统使用的多用途光栅的性质以及部分相干光在光栅中传输的特性等方面进行了详细的分析和模拟计算，较为系统的研究了用于ICF的光栅特性。针对透射光栅的表面反射不利因素，将光栅的工作角度设置到布儒斯特角附近，利用光束成布儒斯特角入射具有的特殊性质可以达到减反射的目的。计算结果显示，对长周期的透射光栅，将其设置到布儒斯特角附近工作能降低光栅的反射率，特别是总反射率可以明显降低。ICF系统中的色分离光栅可以考虑试用这种方案减反射；对周期在波长附近的短周期光栅也能实现减反射，并能保证更高的一级衍射效率，但布儒斯特角的设置使得TM入射波的一级衍射效率的极值出现在光栅刻槽深度为102的地方，相对TE波，其深度周期被大大推迟，在实际应用中应综合考虑。     

基于二维结构薄膜的偏振选择相位光栅的研究

利用二维结构薄膜构建了具有偏振选择特性的新型相位光栅,借助严格耦合波分析(RCWA)方法计算了光栅各级衍射强度随入射光波长及入射角的变化,发现在垂直入射情况下,波长600—640 nm范围内,相位光栅对横向电学(TE)模主要产生0级衍射,而对横向磁学(TM)模产生±1级衍射,在波长633nm处,0级衍射光的偏振消光比为109.8,±1级衍射光的偏振消光比为334.6.利用时域有限差分方法对这种相位光栅的偏振分束现象进行了模拟,偏振分离角在玻璃基板内可以达到10°左右,最后模拟了入射角为23°时光栅对不同偏     

红外波段高效率低偏振相关损耗光栅的设计

衍射效率高、偏振相关损耗低的衍射光栅是集成波分复用/解复用器件的一种核心元件,在光通信中具有很重要的应用价值。通过利用严格的耦合波理论计算光栅衍射效率的方法,分别编制出了计算TE波和TM波的衍射效率程序。通过改变光栅的面形来进行计算,最终得到了衍射效率高和偏振相关损耗小的光栅面形。     

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。     

弱谐波情况下透射光栅衍射效率标定方法

同步辐射光源中的高次谐波会使透射光栅衍射效率标定精度变差。为了校正光源中的高次谐波对透射光栅衍射效率标定的影响,提出了一种光源存在弱谐波情况下的透射光栅衍射效率标定方法,通过使用谐波X射线的衍射效率修正基波衍射效率标定中谐波的影响,从而得到更为准确的透射光栅衍射效率。使用该标定方法在北京同步辐射光源上开展了透射光栅相对衍射效率标定工作。实验结果表明:在100~800eV存在高次谐波能段,修正后透射光栅一级与零级的相对衍射效率与理论模拟结果吻合较好,修正后光栅二级与一级的相对衍射效率更接近理论模拟结果,但与理论模拟结果仍有较大偏差,该偏差主要来源光栅较弱的二级衍射。     

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。