极紫外波段变栅距光栅刻槽密度变化及光谱分辨能力分析

针对应用于50~150nm波段的变栅距光栅, 采用球面波曝光系统进行优化设计, 分析了不同宽度光栅的刻槽密度变化和光谱分辨能力。理论分析结果表明, 光栅宽度为4mm时, 理论分辨能力高于14000;光栅宽度为10mm时, 理论分辨能力约为9000;光栅宽度为30mm时, 理论分辨能力急剧下降, 约为3000。光栅的宽度越大, 其刻槽弯曲程度就越大, 光栅的光谱分辨能力就越低, 因此球面波曝光系统只适合制作宽度较小的变栅距光栅。     

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收.本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ_1=0.553μm、λ_2=0.769μm、λ_3=1.130μm三通道上提高了石墨烯吸收效率,石墨烯吸收效率最高可达41%.对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振.经过模拟分析可知,通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率,而石墨烯化学势仅能对共振峰λ_3的吸收效率有影响.最后优化结构参数,在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上,这可以作为超材料吸收器.     

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.     

任意槽形金属光栅矢量模式理论的数值计算

本文根据任意槽形金属光栅的矢量模式理论，对正弦槽光栅和半椭圆槽光栅的情况进行了推导和数值计算。对任意入射方向和偏振态的入射场，计算了其衍射场的分布情况，并详细研究了光栅结构参数（光栅常数、槽宽、槽深等）对衍射场的影响。     

一维金属光栅的光学反射吸收

利用RCWA(rigid coupled-wave analysis)方法研究了一维金属光栅的反射特性,考察了 瑞利反常、表面等离激元驻波共振和几何共振三种共振吸收机理,分析了这三种机理的相互作用,如表面等离激元驻波共振和几何共振可以形成混合模式. 在反射式复合金属光栅中,确认了第四种共振形式,即相位共振. 数值计算表明相位共振对光学吸收的影响有两种形式: 当光栅周期大于一个波长时,相位共振导致尖锐的吸收峰,峰位在几何共振吸收峰一侧;当光栅周期小于一个波长时,相位共振导致混合模式的共振吸收峰发生劈裂. 对一维金属光栅反射特性的研究增加了对金属光栅共振吸收模式及其相互作用的认识. 关键词： 一维金属光栅 瑞利反常 表面等离激元 相位共振     

一维矩形刻槽相位栅的减反特性与结构优化

 为了得到一种结构简单、便于制作的可应用于可见光波段的减反射膜,利用等效介质理论研究了表面具有矩形刻槽周期分布形式的介质膜的减反射特性,比较了4种不同基底材料的减反特性,选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为基底分析了一维单层矩形光栅结构的减反射膜的占空比、蚀刻深度、入射波长和入射角度对减反射特性的影响;给出了可见光波段的减反射膜的结构设计参数。研究结果表明：当入射角小于30°时,可见光中的短波段（0.4 μm～0.55 μm）反射率低于2%;当入射角小于10°时,该减反射膜可以使0.4 μm～0.8 μm可见光的反射率低于2%。     

紫外光刻-湿法刻蚀硅中阶梯光栅的研制

湿法刻蚀技术作为中阶梯光栅的主要制备方法之一,具有制造成本低、周期短、杂光少、所制作光栅的闪耀角误差小等优点。为解决某高分辨率光谱仪在近红外波段（800～1100 nm）的分光需求,尝试选择70.52°槽顶角的湿法刻蚀硅中阶梯光栅来代替90°槽顶角的传统中阶梯光栅。依据（100）硅光栅的结构特点以及光学设计给出的光栅工作条件,利用有限元数值计算法求解电磁场分布,理论分析了硅中阶梯光栅在工作波段内多个级次的衍射特性。在此基础上,利用紫外光刻-湿法刻蚀技术,在单晶硅基底上制作了槽密度为42 lp/mm、闪耀角为54.74°、有效面积超过46 mm×28 mm的对称V形槽光栅,并根据制备实验结果分析讨论了工艺过程中硅光栅质量的重要影响因素。测试结果表明,该光栅在各工作级次对应闪耀波长下的衍射效率均在45%～55%范围内,满足指标要求。     

基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属-介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,"MP")效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。     

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明:槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。     

Polarization‐independent absorption enhancement in a graphene square array with a cascaded grating structure

The polarization‐independent enhanced absorption effect of graphene in the near‐infrared range is investigated. This is achieved by placing a graphene square array on top of a dielectric square array backed by a two‐dimensional multilayer grating. Total optical absorption in graphene can be attributed to critical coupling, which is achieved through the combined effect of guided‐mode resonance with the dielectric square array and the photonic band gap with the two‐dimensional multilayer grating. To reveal the physical origin of such a phenomenon, the electromagnetic field distributions for both polarizations are illustrated. The designed graphene absorber exhibits near‐unity polarization‐independent absorption at resonance with an ultra‐narrow spectrum. Moreover, the polarization‐independent absorption can be tuned simply by changing the geometric parameters. The results may have promising potential for the design of graphene‐based optoelectronic devices.     

锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控

应用含自洽格点在位库仑作用的Kane-Mele模型,研究锯齿型石墨烯纳米窄带平面内横向电场对边界带能带结构和量子自旋霍尔(QSH)体系的影响.研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类.特别当电场强度为1.17 V/nm时,在自旋向下能带的能隙中,q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流.当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化.当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系.     

金属衬底上石墨烯的红外近场光学

对石墨烯/铜体系开展了系统性的近场光学实验研究,成功观测到了区别于铜衬底的、来自石墨烯的近场光学响应信号,发现在表面台阶几何参数相同的铜衬底上的不同石墨烯样品表现出了截然不同的近场光学响应.     

氧化石墨烯修饰倾斜光纤光栅10–12级重金属离子传感

设计了一种氧化石墨烯(GO)功能化的倾斜光纤光栅(TFBG)传感器,用于检测水溶液中的重金属离子.通过氧等离子体活化光纤表面,以及采用GO的无水乙醇分散液,避免了咖啡环效应引起的GO的团聚和堆叠,充分了暴露GO的表面和羧基.吸附重金属离子后, GO-TFBG传感器的透射光谱中的谐振峰发生红移,这是由GO向重金属离子的电子转移导致的有效折射率变化造成的.对Pb²⁺和Cd²⁺离子最低检测限可达到10^–10 mol/L (ng/L量级),相应灵敏度分别为0.426 d B/(nmol·L^–1)和0.385 d B/(nmol·L^–1)(2.06和3.43 d B/(μg·L^–1)).此外, GO-TFBG传感器具有出色的器件一致性, 5组传感器的传感性能稳定.本研究实现了GO纳米片在光纤表面的无团聚和均匀成膜,获得了具有超大表面积的GO并充分暴露表面羧基实现对重金属离子的吸附,利用了TFBG不同模式谐振对环境的高度敏感性,完成了对低浓度重金属离子的高灵敏度、可重...     

介质加载复合光栅结构的色散特性研究

提出了一种用于Smith-Purcell器件的介质加载金属光栅周期慢波结构.通过采用本征函数法和单模近似法求解了介质加载金属光栅的"热"色散方程,在同步点得到了注-波互作用的一阶和二阶增长率,分析了光栅槽宽和槽深对色散特性的影响,并研究了电子注参数及其与光栅表面距离等主要参数对增长率特性的影响.结果表明:通过介质加载金属光栅有利于减弱色散,随着介质相对介电常数、槽宽度以及深度的增大,色散曲线变平缓且向低频区移动;当电子注参数变化时,一阶增长率曲线从整体上粗略地描述增长率变化趋势,二阶曲线则更精细地描述增长率相应值的变化.利用软件MAGIC对该结构的色散特性进行了二维模拟,模拟结果与理论计算值符合良好.     

Sensitivity enhancement for a multimode fiber sensor with an axisymmetric metal grating layer

This paper proposes a novel design for a surface plasmon resonance (SPR) fiber sensor with an axisymmetric sub-wavelength metal grating layer. The relationship between the sensor performance (the sensitivity S and the quality factor Q of the SPR dip) and the characteristic parameters are investigated. Numerical simulation results show that the proposed sensor can achieve a maximum sensitivity of 13,000 nm/RIU (refractive index unit) for a refractive index range from 1.3 to 1.4.     

基于氧化石墨烯的长周期光纤光栅的全光控制

实验验证了一种通过将氧化石墨烯分散液沉积在长周期光纤光栅的全光控制的相关研究。通过外加的垂直泵浦光的作用,氧化石墨烯吸收泵浦光产生热量,改变长周期光纤光栅的包层模式的相位差,由于热膨胀的作用改变了氧化石墨烯所覆盖部分的光栅周期,使得谐振谱发生了移动,其最大调制深度可达10.6 dB,谐振谱最大可红移12.8 nm。通过实验发现,沉积相同浓度氧化石墨烯分散液的次数影响实验结果,通过在相同光栅的相同位置分别沉积三次,发现沉积三次可以在光纤表面获得更加均匀的氧化石墨烯膜,进行了时间响应的测试,其中沉积三次后的长周期光纤光栅的响应速度可达0.61 ms,沉积多次氧化石墨烯分散液可以在光纤表面沉积得更加平整均匀,从而获得更大的导热性能。     

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     

测量熔融金属密度的浮子式光纤Bragg光栅传感器

密度可以解释熔融金属的性质和行为,密度的变化特征反映了熔融金属内部原子距离和配位数等的基本变化。研制了一种测量熔融金属密度的浮子式光纤Bragg光栅传感器,浸没在熔融金属中的浮子受浮力作用,通过传递杆、等臂杠杆及连杆,拉动等强度悬臂梁产生扰度变化,根据检测粘贴在等强度悬臂梁表面的光纤Bragg光栅中心波长移位值,测出浮力值,进而检测熔融金属密度。该传感器的理论灵敏度为0.115pm/(kg/m3),4次实验得到熔融金属的平均密度为7.574×103 kg/m3,略小于理论密度7.621×103kg/m3,相对误差为0.62,均方根误差为117.371kg/m3。     

聚二甲基硅氧烷光栅薄膜制备及光栅常量测量

利用模板技术复制光盘沟槽结构,制备了聚二甲基硅氧烷光栅薄膜,并采用激光光栅衍射方法测量了光盘及复制薄膜的光栅常量.结果表明制备的聚二甲基硅氧烷薄膜光栅衍射现象显著,与光盘的光栅常量一致.