Theoretical study of surface plasmons coupling in transition metallic alloy 2D binary grating

The excitation of a surface plasmon polariton (SPP) wave on a metal–air interface by a 2D diffraction grating is numerically investigated. The grating consists of homogeneous alloys of two metals of a formula A_xB_1−x, or three metals of a formula A_xB_yC_z, where A, B and C could be silver (Ag), copper (Cu), gold (Au) or aluminum (Al).It is observed that all the alloys of two metals present a very small change of surface plasmon resonance (SPR) irrespective of composition x. Moreover, the addition of 25% of Al to two metals alloy is insufficient to change the SPR curves. The influence of the different grating parameters is discussed in details using rigorous coupled-wave analysis (RCWA) method. Furthermore, the SPR is highly dependent on grating periods (d_x and d_y) and the height of the grating h. The results reveal that d_x= d_y= 700 nm, h=40 nm and duty cycle w=0.5 are the optimal parameters for exciting SPP.     

亚波长闪耀光栅矢量衍射效率计算

将矢量衍射数值算法—严格耦合波分析用于精确计算亚波长闪耀光栅的衍射效率,并分析其衍射特性。建立了闪耀光栅的电磁介质模型,并将楔形不规则结构简化为多层矩形光栅结构,通过电磁场的介质分布建立严格耦合波方程。根据边界条件求解出各层的电磁场分布,再通过增透矩阵方法将各层电磁场依次迭代,求解出了整个结构的衍射效率。计算分析显示,对闪耀角为11.3°、周期为500 nm的金属铝闪耀光栅可以得到高于90%的衍射效率和相应的闪耀级次。实验表明这种矢量衍射数值算法具有较高的准确性,可以推广应用于高致密刻线复杂光栅的衍射计算分析。     

金属光栅用于增强非晶硅薄膜太阳能电池光吸收率研究

提高太阳能电池光电转换效率的一个重要途径就是提高它的光子吸收能力。在传统非晶硅薄膜太阳能电池中加入了金属光栅,设计出一种新的复合电池结构。基于严格耦合波分析矢量衍射理论计算了该结构的吸收光谱和增强因子;讨论了光栅宽度、入射光角度和入射光偏振态对吸收的影响。结果显示,设计的太阳能电池结构能够显著提高光的吸收率,在TM偏振光入射条件下,该结构的吸收增强因子最高可达40%;在其他偏振态光线入射时,其吸收增强因子也可达到16%左右。     

Protecting MRI rooms by dielectric diffraction gratings

Nowadays in order to protect against the waves available in surrounding MRI rooms we use mu-metal. We suggest to use 1D dielectric gratings to protect MRI rooms from surrounding mobile waves. Hence, we present a grating with maximum reflection by RCWA method.     

亚波长介质光栅的制作误差分析

利用严格耦合波理论（RCWA）分析了方向误差和面形误差对亚波长光栅衍射效率的影响. 通过分析发现,方向误差和图案边缘钝化对光栅的衍射效率影响不大,而刻蚀过程中由于侧壁倾斜而产生的面形误差对光栅的衍射效率影响非常大.在制作亚波长光栅时,可以通过选取合理的刻蚀系统或增大占空比的方法来避免基底型误差的出现.该结论对于制作亚波长光栅具有重要的指导作用.同时根据得出的结论,选用专门用于硅深刻蚀的等离子体辅助刻蚀系统制作出了红外30 μm亚波长抗反射光栅,检测结果显示,光栅沟槽侧壁陡峭且透过率和设计值吻合得比较好.     

嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究

嵌入式镀膜光栅是将平行四边形的介质膜层,以亚波长量级的周期嵌入波导中.针对该光栅在不同偏振态、不同角度入射下的各级衍射效率问题,本文基于严格耦合波分析理论,对该光栅进行建模与数值分析.结果表明,在TE模入射时,该光栅的一级衍射效率可随膜厚在[0, 37%]内变化,其余非零级次的衍射效率低于2%.衍射特性可以满足平视器成像的效率递增要求,同时可以减少能量的损失与杂散成像光线.当入射光束的角度在纵向[45 °,70 °]、横向[-15 °,15 °]内变化时,一级衍射效率的变化平稳,可以保持平视器不同视场的成像能量均匀.针对入射光偏振态、光栅材料、嵌入膜层倾角、光栅周期对衍射特性的影响,给出了相应的数值分析,可为波导全息平视器中衍射元件的制作提供理论指导.     

滑动盖板对一维微尺度光栅红外辐射特性影响

电磁波入射到微尺度周期性结构表面时,一定条件下将在某一波段产生异常光吸收现象。基于该特性,本文提出了单边移动盖板光栅和双边移动盖板光栅两种光栅结构,并使用严格耦合波分析(RCWA)方法对TM波垂直入射的一维微尺度光栅表面辐射特性进行了分析,研究了滑动盖板的厚度和位置对光栅表面结构辐射特性的影响。结果表明,相同盖板厚度,双边移动盖板光栅形成的发射率峰较单边移动盖板光栅形成的发射率峰具有较宽的半高全宽(FWHM),但峰值较低;随盖板向关闭侧移动,高发射率峰对应波长向长波方向移动;随盖板厚度增加,发射率峰向长波方向移动,其中双边移动盖板光栅结构形成的发射率峰变宽,峰值变小。     

复合Ag/SiO_2正弦光栅基底SERS特性分析

当前微流控表面增强拉曼散射(SERS)检测领域常用的贵金属纳米颗粒溶胶单位体积内热点区域数量有限且热点区域范围较小,而贵金属纳米三维阵列结构加工时间长,成本高昂并存在"记忆效应"。本文提出了集成到微流道的复合Ag/SiO_2正弦光栅SERS基底结构,可以利用激光干涉光刻技术进行制备,无需预制掩膜版,可实现大面积、低成本SERS基底简易快速制备。利用严格耦合波分析方法(RCWA)建立了复合正弦光栅表面电场增强数学评估模型,推导了表面等离子体共振(SPP)耦合吸收率数学模型,分析了入射光、复合正弦光栅结构与外界环境介电常数的优化匹配关系,得到了入射光785 nm条件下的最佳复合正弦光栅结构。通过制备加工并实验验证了复合正弦光栅的SERS性能,SERS增强因子(EF)能够达到10~4。     

Butterfly wing color: A photonic crystal demonstration

We have theoretically modeled the optical behavior of a natural occurring photonic crystal, as defined by the geometrical characteristics of the Teinopalpus Imperialis butterfly. In particular, following a genetic algorithm approach, we demonstrate how its wings follow a triclinic crystal geometry with a tetrahedron unit base. By performing both photonic band analysis and transmission/reflection simulations, we are able to explain the characteristic colors emerging by the butterfly wings, thus confirming their crystal form.     

二元光栅抗反射特性的耦合波分析

基于严格耦合波分析理论和遗传算法,研究了亚波长矩形光栅(即二元光栅)的抗反射特性。针对光通信中的1.55μm波长设计了抗反射矩形光栅。探讨了光栅周期、占空比和光栅深度的变化对抗反射特性的影响。给出了光栅的抗反射特性所适用的入射角度及波长范围。当入射角度小于30°,在光纤传输系统中入射光波长为C波段和L波段时,反射效率小于0.4%,有效地减小了光纤传输系统的回波损耗。