用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅设计

根据亚波长光栅的导模共振异常特性,提出三角形槽亚波长光栅实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的技术方案.定义了用于描述谐波分离性能优劣的谐波分离品质函数,对影响三角形槽亚波长光栅的谐波分离品质函数的光栅参量进行了详细的分析,基于矢量衍射理论设计了能够实现谐波分离的三角形槽亚波长光栅,确定了用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅的设计思路和方法.     

用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅设计

根据亚波长光栅的导模共振异常特性,提出三角形槽亚波长光栅实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的技术方案.定义了用于描述谐波分离性能优劣的谐波分离品质函数,对影响三角形槽亚波长光栅的谐波分离品质函数的光栅参量进行了详细的分析,基于矢量衍射理论设计了能够实现谐波分离的三角形槽亚波长光栅,确定了用于谐波分离的三角形槽亚波长光栅的设计思路和方法.     

Si/SiO2高对比光栅参数对反射率的影响

为解决850 nm波长VCSEL表面的GaAs/空气材料的高对比亚波长光栅( HCGs)稳定性差的问题,设计了基于Si/SiO2材料的高对比亚波长光栅。研究了850 nm波长高稳定、高反射率(>99.5%)的高对比亚波长矩形光栅参数的变化对反射率的影响。利用有限元分析软件计算了Si/SiO2高对比亚波长光栅的高度、填充因子、周期、刻蚀深度及光栅倾角等各个参数的变化对850 nm的反射率影响。计算结果表明：当波长为850 nm的TE光从SiO2正入射到矩形HCGs且只有在光栅的倾角大于88°的小范围内变化时,HCGs的反射率才大于0.995,而光栅的其他参数对HCGs反射率的影响可以忽略不计。     

间隔叠合式双层亚波长光栅

提出了一种应用价值较高的防伪光栅结构-间隔叠合式双层亚波长光栅,可以展宽基本光栅的光谱峰值带宽、改善光谱线形和光变效果.分析了亚波长光栅光谱峰值带宽展宽和线形改善的原理,用矢量衍射理论验证了理论分析的合理性,并对特定防伪光变设计要求的双层光栅进行了参量优化和光变特性分析.结果表明,满足同相位条件的光谱线形与基本光栅相同,带宽为基本光栅的两倍;满足反相位条件的光谱线形为准矩形,带宽大于基本光栅;亚波长光栅在传统和非传统照明条件下倾斜均能产生彩色光变效果,且传统照明情况下的光变速率较大,利用这种光变速率差可以制作各向异性光变效果.     

亚波长抗反射光栅结构的设计及制备

针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题,设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析,结果表明其透射率在远红外波段20～24 μm平均透射率能够达到98%,中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备,测得平均透射率达77%,中心波段透射率达到77%,与仿真结果相近。经实验验证,所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好,且对实验加工精度要求较低,为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。     

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。     

亚波长光栅衍射效率特性设计的遗传算法优化

亚波长光栅中的衍射需要使用矢量衍射理论进行分析,其衍射效率与多个因素有关,对任意面形、任意入射条件的亚波长光栅的衍射来说,使用严格的耦合波理论进行分析计算可以得到数值解。通过分析不同参数条件下的衍射特性和衍射效率对各个参数的敏感性,获得了对衍射效率影响最大的光栅参数——槽深。用接近衍射效率曲线的抛物线作为目标函数建立了适应度函数。使用遗传算法进行优化,得到了所期望的衍射效率滤波特性,从而完成了具有防伪功能的亚波长光栅的设计。     

基于SOI的亚波长偏振分束器的研究

运用严格耦合波理论对亚波长光栅的模场分布进行讨论,通过位相匹配方程建立衍射级、光栅矢量和波导传输常数的关系,得到波导光栅实现偏振分束功能时对应的设计参数;针对布拉格反射层良好的反射特性,设计了一种亚波长偏振分束器。为了提高光栅的耦合效率,在基底增加Bragg反射层,将传统偏振分束器的透射光反射,与输入光相干叠加,满足相位匹配条件后耦合输出,使耦合效率大大增加。     

二维亚波长金属光栅多波长透射滤光片EI北大核心CSCD

为实现阵列化、多波长光探测器件的微型化与集成化,设计了一种基于亚波长金属光栅导模共振原理的透射滤光片。利用波导理论分析了二维金属光栅波导对称和非对称两种结构的共振特性,数值仿真分析了光栅各参数如占空比、光栅厚度、侧壁角度等对透射谱线的影响,并给出了结构优化参数范围。研究表明,透射滤光片的峰值波长与半峰全宽（带宽）取决于光栅周期和缓冲层厚度,带宽的调节范围为2~45 nm,最大透射率为81.7%,所设计的滤光片具有偏振无关性,较好地满足了当前微流控芯片、生物传感阵列等微量样品集成化探测的需求。     

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     

单层亚波长金属光栅偏振器透射机理研究

为从物理层面理解亚波长金属光栅偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射的影响,基于等效介质理论定性解释了单层亚波长金属光栅的偏振透射现象,给出了各个光栅参数对偏振性能的影响规律。对于不同条件下透射峰值产生的机理,基于法布里-珀罗共振理论给出了定量解释。对于等效介质理论和法布里-珀罗共振理论的准确性给出了验证及分析。通过两理论定性或定量的对单层亚波长金属光栅偏振器透射机理的系统分析,将有助于更清晰地理解金属光栅偏振器的偏振透射影响规律。     

等离子体光栅靶的表面粗糙度对高次谐波产生的影响

极紫外光和软X射线由于其波长和脉冲持续时间极短,可用于超快物理过程和物质微观结构的探测.最近几年,研究人员发现激光和等离子体相互作用可以产生持续时间极短(阿秒)且相干性较好的高次谐波辐射,其波长可接近甚至达到水窗波段.然而,实验研究指出,理论上应出现的一些谐波在实验中并没有出现.本文针对超短超强激光与非理想条件下的等离子体光栅靶相互作用产生高次谐波的物理过程进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,等离子体光栅的周期性结构对于高次谐波的频谱和辐射角分布存在显著调制效果.光栅靶表面粗糙度直接影响光栅的光学调制效果,改变高次谐波的频谱分布和辐射角分布.理想光栅条件下,满足光栅匹配条件的特定阶数谐波明显获得增强,且辐射张角集中在平行靶面的方向.靶表面粗糙度的出现,导致光栅匹配条件失效,高次谐波能量向各阶分散且辐射张角逐渐偏离靶表面方向.研究结果较好地解释了实验中观测到的谐波频谱分布,为进一步的研究提供了一定参考.     

用于光谱合束技术的透射光栅设计与优化

设计并制作了一种亚波长透射光栅,利用该光栅实现了半导体激光阵列光谱合束。基于严格耦合波理论,对光栅占空比、脊高和周期等进行了设计,模拟了不同结构参数对光栅衍射效率的影响,从而实现了光栅衍射效率的优化。理论计算表明,优化后的光栅对940nm激光的-1级衍射效率可达92%。实验结果表明,激光阵列光谱合束后,输出功率为46.2 W,光束质量为3.9mm·mrad。     

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。     

太赫兹波发射晶体的亚波长微棱锥增透结构的设计与实验研究

光学整流方法产生太赫兹(THz)辐射常用的非线性发射晶体在THz波段都具有较高的折射率, 使得很大一部分THz波由于晶体表面的菲涅尔反射而无法有效耦合输出. 本文报道了GaP晶体THz波发射器输出表面上亚波长微棱锥增透结构的设计和实验研究. 利用有效介质模型在理论上验证了亚波长光栅结构的增透效果, 并进一步设计了适用于不同频段的增透结构的参数. 实验中, 通过微机械加工手段在GaP晶体输出端面刻划了多种亚波长微棱锥结构, 验证了其增透效果及参数对增透频带的关系. 理论与实验的符合证明该设计思想也可用于其他THz波发射晶体. 关键词： THz波 光学整流 亚波长微棱锥增透结构 微加工     

脉宽压缩光栅用的多层膜设计和性能分析

应用于啁啾脉冲放大技术中的脉宽压缩光栅是基于多层膜作为基底,利用全息干涉技术和离子束技术刻蚀而成。脉宽压缩光栅的衍射效率和抗激光损伤阈值一方面依赖于光栅结构的设计,另一方面很大程度上取决于作为基底的多层膜的设计。给出了以413.1nm作为写入波长,1053nm作为使用波长的多层介质光栅膜的设计,样品在ZZS-800F型真空镀膜机上采用电子束蒸发方式沉积而成,并给出了膜系结构对光学性能影响因素的详细分析,结果表明膜系H3L(H2L)9H0.5L2.03H满足光栅膜的指标。给出了样品光学特性测试,其使用波长处的透射率<0.5%,写入波长处的透射率>90%,测试表明样品满足设计要求且实验结果和理论设计符合得很好。     

紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析

为了满足太阳光谱在170～380 nm波段的精确观测需求,设计了波长重复性精度优于±0.02 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件,根据凹面光栅色散原理,将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数,分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知,丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2μm的丝杠设计了波长扫描机构,并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明,设计的光谱仪波长重复性介于-0.005～+0.007 nm之间,满足波长重复性优于±0.02 nm的指标要求。     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

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。     

红绿共振互补光变亚波长微结构制作与分析

剖析了双层亚波长光栅微结构的设计及制作原理,提出了一种亚波长微结构设计与制作的新方法,其特点是以矩形亚波长光栅设计微结构,用全息干涉光刻及涂布的方法制作,却不影响设计微结构的共振及光变特性,还能改善反射光的颜色质量。用该方法设计及制作了具有“红绿”共振互补光变效果的亚波长防伪微结构,检验了其共振光变光谱与颜色变化特征。研究表明：制作的全息光栅微结构的共振及光变特征如共振光谱、颜色、光谱峰及峰分裂等与预先设计的相同;矩形亚波长光栅并不是共振的必要条件,其他面形光栅微结构的衍射特性和等效波导若与矩形光栅微结构的相同,则其相关特性相同;用新方法设计及制作亚波长光变微结构的工艺是可行的,既降低了设计微结构的加工难度,又便于用现有的全息生产设备批量生产。