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     

梯形介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为.通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅.对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时.其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率.其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm.而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2的梯形光栅具有更宽的光谱特性.数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性.     

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     

运用严格耦合波理论计算平面电介质光栅的衍射效率

本文阐述了严格耦合波理论的基本思想。针对横电波的情况，详细分析了运用严格耦合波理论实现光栅衍射效率计算的方法，并且进一步给出了编制计算衍射效率程序的步骤。通过一个具体计算实例表明：各衍射级分布的光能量之和等于入射光的能量，满足能量守恒定律，从而证实了计算结果的正确性。     

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。     

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。     

槽型衍射光栅结构参数优化设计研究

通过工程优化方法与衍射光栅矢量理论相结合,对衍射光栅的结构参数进行了优化设计研究。采用严格的耦合波矢量理论分析表面浮雕光栅的衍射效率特性,并建立了具有全局寻优特性的遗传算法在衍射光栅设计中的数学模型;研究了包括双闪耀光栅在内的多种槽型衍射光栅的优化设计。优化设计表明,该方法对初始设计方案没有特殊要求,能够快速得到多种槽型衍射光栅的最优结构参数,优化后光栅的衍射效率可以达到90%以上,双闪耀光栅经优化设计以后在整个波段均能获得很高的衍射效率。在光栅的设计过程中采用全局工程优化算法进行分析设计,为高效率光栅的制作提供了理论指导;同时也为光栅设计的逆问题提供了一种可行的求解方法。     

飞秒激光用多层介质膜脉宽压缩光栅的设计

以薄膜光学的干涉理论和衍射光学的傅里叶模式理论为基础，给出了0.8μm飞秒激光器用多层介质膜脉宽压缩光栅的理论设计；设计采用H3L(HL)^9H0.5L2.4H的多层介质膜为基底，当刻蚀后表面浮雕结构的占宽比为0.35，线密度为1480线/mm，槽深为0.2μm，顶层HfO₂的剩余厚度为0.15μm时，对于Littrow角度(36.7°)和TE波模式入射的衍射光栅其-1级衍射效率达到95％以上. 关键词： 飞秒激光 脉宽压缩光栅 多层介质膜     

用于彩色屏显的双层耦合光栅设计

在彩色波导全息平视器的设计中,易出现色彩不均和结构复杂的问题。将折射率、厚度各异的膜层,分别嵌入双层波导中,对一种新型的双层耦合光栅结构进行了优化设计。基于严格耦合波理论(RCWA)的计算表明,该双层光栅可实现主视场内较均匀的彩色成像,且结构精简。相较于传统的体全息元件,该结构批量制造的可靠性更高。双层光栅的设计分别以470nm和632nm为中心波长,实现衍射能量的相互补偿。优化结构参数后,当入射角在[-11°,11°]内变化时,主视场内RGB三波长的衍射效率(DE)可大于85%,各波长间最大的效率差异可小于5%。     

二元矩形金属光栅衍射增强电磁理论

采用耦合波原理计算了TM波经过二元纳米量级金属光栅衍射的电磁场，研究了金属光栅的占空比、光栅深度及TM波入射角对衍射后的光栅表面电磁场的增强的影响，针对金属金、银做了探讨和分析，得出重要的结论. 关键词： 耦合波原理 金属光栅 衍射     

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.     

变栅距光栅实现啁啾脉冲光谱整形

为了充分利用放大介质的增益带宽,获得脉宽更短,功率更高的输出脉冲,需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053nm,谱宽6nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性,发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响,通过选取适当的光栅参量可获得0.5%~84%的光谱调制深度。     

局域体全息光栅衍射的平面波与柱面波的波前转换研究

利用一维耦合波理论研究了入射方向相互垂直的一束平面波与一束柱面波干涉形成光折变局域体全息光栅的波前转换情况。给出了透射波和衍射波振幅的解析表达式。讨论了该局域体全息光栅的几何尺寸以及全息透镜的焦距对光栅衍射效率的影响。结果表明,随着光栅横向尺寸的增加,光栅的衍射效率也逐渐增加。然而,光栅的衍射效率却随着光栅纵向尺寸的增加而减小。全息透镜的焦距越长,光栅的衍射效率也越大。此外,分析了光栅的布拉格选择特性,该光栅具有非常好的角度选择特性。在平面波与柱面波干涉形成全息透镜的设计中,为了获得最优的衍射效率,应当根据要求合理地选择记录所用柱面波和设计光栅的几何尺寸。     

反射型体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质

在光栅记录介质色散效应的影响下,拓展Kogelnik的耦合波理论研究了反射型体全息光栅对偏振方向垂直和平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的性质。结果表明对于记录在LiNbO3光折变晶体中的体全息光栅,在色散效应、光栅参量和入射条件的共同影响下,光栅对偏振方向垂直于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽大于对偏振方向平行于入射面的超短脉冲激光光束衍射的光谱带宽,在不考虑光栅介质色散效应的影响时,它们都变大。进一步给出了衍射光的光谱带宽及光栅的衍射效率随入射脉冲的光谱带宽与光栅的光谱带宽比值的变化情况。     

13.4nm软X射线干涉光刻透射光栅的优化设计

基于严格的矢量耦合波方法,结合纳米级光栅实际制作工艺,定量分析了在13.4 nm软X射线(TE偏振)正入射条件下,光栅材料、厚度、占空比、梯形浮雕底角大小等因素对光栅一级衍射效率的影响.结果表明,在此波段处,Si3N4、Cr、Au浮雕的相位作用对光栅衍射起重要影响,其中非金属材料Si3N4比金属材料Cr、Au的相位作用更明显.最后优化得到了用Si(或Si3N4)做衬底的si3N4、Cr、Au光栅,分析结果显示,其一级衍射效率优于目前用于13.4 nm软X射线干涉光刻的Cr、Si3N4复合光栅.     

透射型光折变体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的特性

在Kogelnik耦合波理论的基础上,考虑光栅记录介质的色散效应的影响,研究了光折变体全息光栅对不同偏振状态的超短脉冲激光光束衍射的性质,讨论了高斯型入射脉冲激光光束的谱宽与光栅的有效衍射谱宽之比不同时,衍射和透射光束的光谱宽度、时间宽度、波形和衍射效率的变化。结果表明,光栅的有效衍射谱宽受光栅参量及入射条件的影响,对衍射性质的影响很大,且在考虑光栅记录介质的色散效应时减小。当入射脉冲的偏振方向垂直于入射面时,光栅的有效衍射谱宽大于偏振方向平行于入射面的情形,衍射效率在入射脉冲宽度较大时小于偏振方向平行于入射面的情形;谱宽比较大时,衍射光束的时间分布曲线产生展宽和变形,且比偏振方向平行于入射面的情形展宽和变形得更加明显。