衍射光学元件在无掩模光刻中的应用

描述了波带片/多孔透镜阵列无掩模光刻方法,着重介绍了波带片的几何结构特点和衍射聚焦特性,研究了影响光刻分辨率的因素和使用位相型波带片代替振幅型波带片提高衍射效率的设计方法,讨论了高级衍射焦点对波带片的光刻对比度的影响及消除措施,表明了波带片光刻有光刻对比度和高光刻分辨率受限于最小结构尺寸两个技术难点。对比介绍了多孔透镜的结构和衍射聚焦原理,论述了利用多孔透镜抑制高级衍射焦点和焦平面上次级大的特性,可以提高光刻对比度、提高光刻分辨率、克服波带片受限于最小结构尺寸的缺点。     

电控位相型液晶菲涅耳波带片的特性

利用电场中液晶分子的可控双折射效应对制成电场可调的位相型衍射式菲涅耳波带片。对菲涅耳波带片的原理做了理论分析,测试了其最大衍射效率,给出不同电压Ｆ的不同衍射图像,并对衍射图像的周期性变化做了理论分析。     

利用铁电畴结构直接写入电控菲涅尔波带片

菲涅尔波带片是光学中的一个基本元件.在本文中,通过带电金属电极在53 μm厚的铌酸锂品体表面的扫描,我们利用铁电畴结构制备出了最大半径为913 μm的菲涅尔波带片.在偏置电压的作用下,我们对菲涅尔波带片的聚焦能力进行了研究.主焦点处的光强随着外加电压的变化而变化,我们得到的最大衍射效率在2.0%左右.     

多台阶相幅型菲涅耳波带片的矢量衍射

用矢量Rayleigh-Sommerfeld(VRS)衍射理论分析计算了高数值孔径多台阶相幅型菲涅耳波带片(M-SHFZP)的聚焦场分布。当线性偏振光垂直入射到M-SHFZP,结果显示:1)由于薄膜透射率随着刻蚀台阶深度发生变化,致使实际的M-SHFZP的聚焦强度小于多台阶纯相位型菲涅耳波带片(M-SPFZP)的聚焦强度,但是M-SHFZP的聚焦光斑大小基本上与M-SPFZP的相同;2)聚焦光的强度随着台阶数的增加而增加,但聚焦光斑的大小不随台阶数变化;3)对于低数值孔径的M-SHFZP,光轴上的强度呈现一个多焦点分布,但是对于高数值孔径的M-SHFZP,高级焦点的强度被大大抑制。台阶数愈多,数值孔径愈大,抑制高级次焦点的能力愈强。VRS矢量衍射理论的计算结果与时域有限差分法(FDTD)模拟结果基本一致。     

用微光学技术制作位相型聚焦光栅

根据菲涅耳衍射理论,采用微光学制作技术通过3次套刻,将8位相台阶的菲涅耳波带片和平面光栅组合制作在同一块基片上,构成同时具有色散分光和聚焦光谱线功能的位相型光栅.这种光栅具有较高的光谱分辨本领和衍射效率,而且光路简单,调节方便.实验测出的衍射效率大于71%.     

太赫兹缝隙衍射的严格求解方法

基于严格电磁场理论和结构拓展思想,提出了太赫兹缝隙结构衍射的严格物理模型,得到了太赫兹缝隙衍射情形下入射、衍射和透射区域内电磁场基本模式的严格表达。数值计算表明太赫兹波在晶体(砷化镓)、非金属(FR-4)等材料缝隙的透射系数与太赫兹波频率的变化趋势大体相似,得出缝隙材料对太赫兹波的透射系数影响不明显;但是,缝隙的个数、材料的种类以及基底材料的厚度对太赫兹缝隙衍射最大透射系数的影响明显。本文方法也可用于研究太赫兹波亚波长区域内、微纳光学元件体内衍射传输等问题。     

多层介质型太赫兹菲涅尔天线研究

基于菲涅尔波带片透镜的设计原理,设计了三款多层介质结构的菲涅尔波带片天线.该天线采用高增益的波纹喇叭天线提供馈电,工作频段为太赫兹通信第一大气窗口320～380GHz,回波损耗低于-15 dB,增益大于25 dBi.研究了菲涅尔波带片天线的周期数和子区数对天线性能的影响,结果表明随着周期和子区数的增加,增益也会不断的提高,而当波带片直径和喇叭口径面积相比拟时,电磁波损耗较大,并且谐振频率在太赫兹大气窗口内右移.     

太赫兹波与光子晶体光纤的单透镜耦合研究

文章在设计低损耗太赫兹光子晶体光纤的基础上,利用光学设计软件 Zemax 设计了一种焦距为24.80 mm、厚度为2.00 mm、有效孔径为6.25 mm的Topas COC(环烯烃共聚物)太赫兹单透镜。该透镜能有效提高太赫兹光束与波导的耦合,耦合效率可达75.01%。运用Zemax和 Matlab软件分析了太赫兹波导与耦合系统在对接出现误差情况下对耦合效率的影响,并分别给出了存在横向偏差与角度偏差情况下的耦合效率变化曲线。研究结果可为太赫兹传输技术提供理论参考。     

ZnTe晶体对太赫兹波的电光响应及极化匹配

给出了ZnTe电光晶体折射率和吸收系数随太赫兹波频率而变化的计算曲线,比较了太赫兹波在ZnTe中传播时的相速度和群速度。通过与太赫兹频率和晶体厚度相关的电光效率响应函数,理论计算了ZnTe电光晶体对太赫兹脉冲的探测电光响应,得到了晶体厚度与探测到的太赫兹频谱宽度的定性关系,从计算结果中找到了ZnTe电光晶体在5.3 THz和6.2 THz等多个频点的探测盲点,这些探测盲点来自于ZnTe电光晶体与相应频点太赫兹波的栅格共振吸收。结合自制的大口径太赫兹光导天线和1 kHz脉冲重复频率的太赫兹时域光谱实验系统,通过差分探测技术,从实验上得到了太赫兹波极化方向与〈110〉型ZnTe晶体晶轴方向的六个最佳匹配角度,给出了太赫兹电场最大值随晶轴与太赫兹波极化方向之间夹角变化的曲线及经验公式,这将有利于在实践中对该现象的深入理解和对探测灵敏度的有效提高。     

沙尘暴对太赫兹波传播的影响

为研究太赫兹波在沙尘暴中的传播特性,应用Mie散射理论研究了太赫兹波段沙尘粒子的散射特性,得到沙尘粒子的散射效率因子、消光效率因子和吸收效率因子随粒径、太赫兹波长的变化关系。基于沙尘粒子尺寸的对数正态分布,数值计算了沙尘暴的太赫兹衰减。研究结果表明,沙尘的衰减随能见度的增大而减小,波长越小,沙尘暴引起的太赫兹波衰减越大;波长为40 μm时,沙尘暴对太赫兹波传播影响最大,浮尘对太赫兹波传播影响最小。低能见度沙尘暴对太赫兹波传播影响明显。     

薄膜太阳电池二元光栅结构

提出了采用二元光栅结构提高太阳能薄膜衍射效率的技术方法。利用对透射率函数的傅里叶变换计算出垂直入射时二元光栅的衍射光场分布。研究了不同阶次二元光栅在可见和近红外波段的衍射零级光强和总衍射效率随波长变化的规律。以硅基太阳能薄膜为例,分别计算了普通相位光栅和二阶、三阶二元光栅随波长零级光强的变化规律和衍射效率。结果表明,与普通相位光栅结构相比,二元光栅结构能够在较宽波段提高光衍射效率。     

顺电相KTN中反射型全息相位栅的衍射效率分析

在顺电相光折变晶体中存储全息相位光栅是研制新型电控全息光开关的有效途径。为了提高光栅的衍射效率,将Kogelnik耦合波理论与Kukhtarev方程相结合,得出了顺电相钽铌酸钾晶体中反射型相位栅衍射效率的解析式,对影响光栅衍射效率的各因素进行了计算分析。结果表明,使写入光的入射角远离45°、增加晶体厚度和增大外加电场等措施都可以使反射型全息相位栅的衍射效率提高。45°入射角附近出现较宽的低衍射区。衍射效率对入射角、晶体厚度以及外加电场的变化敏感,其中任一个参量的较小改变都可以引起衍射效率的较大变化。晶体的吸收对衍射效率的影响可以忽略。分析结果有助于在实践中调整参量以获得较高的读出光衍射效率。     

Multilayer phase correcting fresnel zone plate reflector antennas

Owing to its flat nature and light weight etc., the Fresnel zone plate antenna is becoming very attractive for such applications as DBS reception and receive-only VSAT. The disadvantages of low efficiency and high sidelobes of the simple and the phase reversing zone plates can be improved by using phase correcting techniques. In this paper, a systematic investigation on the efficiency and sidelobe performance of subzone phase correcting zone plate antennas is presented. The design of a form of multilayer phase correcting zone plate reflector is described. A quarter-wave zone plate reflector constructed with three dielectric layers and metallized rings is reported, with measured peak efficiency of 55 per cent.     

Specialized electron beam nanolithography for EUV and X-ray diffractive optics

Diffraction of electromagnetic radiation remains a viable method for manipulation and focusing of extreme ultraviolet and X-ray wavelengths where the optical properties preclude significant phase shift without attenuation. As the wavelength becomes smaller, the characteristic dimensions needed for effective utilization of diffraction proportionally shrink, placing significant demands on the half-pitch of the diffractive structure. State-of-the-art nanofabrication technology is then required. Additionally, line placement over the entire grating, zone plate lens, or other diffractive element requires an accuracy on the order of a small fraction of a linewidth over the entire structure. This places a heavy burden on the alignment and calibration of the pattern-generating tool. In the case of zone plate lenses, smooth curved geometric elements are required. Specialized techniques for electron beam lithography have been developed to meet these demands, which diverge from the technology used to meet the challenges encountered in mask making and electronic circuit research. The techniques are in four areas: on axis calibration, beam placement, subpixel image processing for overlay, and smooth generation of arc shapes. Using the ensemble of these specialized techniques, high-resolution electron beam lithography nanofabrication has been used to successfully make diffractive structures with linewidths approaching 10 nm and near diffraction limited optical performance.     

用衍射场叠加法分析四种误差下的X光波带片

利用叠加所有圆环的解析近似衍射场的方法来计算和分析随机环带位置误差、宽度误差、扩散和粗糙度对X射线波带片的效率和分辨率的影响。用Strehl比来量化和衡量与理想波带片有偏差的波带片的性能，对两个波带片例子分别用Strehl极限确定了其能容许的四种误差极限。以一个Ni软X射线波带片为例，用叠加圆环衍射场的方法分析了随机环带位置误差和宽度误差对主焦点效率和分辨率的影响；以一个SiO2／Ni硬X射线溅射切片波带片为例，计算了两种材料的相互扩散和粗糙度对衍射效率和分辨率的影响。计算结果表明，四种误差越大，主焦点效率越小，分辨率越差，对第一个波带片例子而言，随机环带位置误差均方根和宽度误差均方根小于最外环宽度的30％；而对于第二个波带片例子，扩散区宽度和粗糙度均方根分别小于最外环宽度的105％和50％时，得到的Strehl比在Strehl极限之上。     

费涅尔区板天线的设计及与馈源耦合问题的研究

将区板焦区场作为散射问题处理，得到区板感应面电流分布和焦区场分布后，本文利用场相关定理研究区板与馈源的耦合问题，并就主模激励下开口圆波导情形进行了计算和讨论。文中还采用矢量场绕射分析模型进行区板设计，给出了设计曲线     

Acoustooptic cells with wedge-shaped piezoelectric transducers excited at high-order harmonics

Light diffraction in a nonuniform acoustic field induced by a wedge-shaped piezoelectric transducer is theoretically studied. Electric, acoustic, and acoustooptic characteristics of cells with such transducers are calculated. The emphasis is on the features of cell operation in the case when a piezoelectric plate is excited at the third harmonic. The acoustic field is shown to possess a complex amplitude and phase structure varying with the ultrasound frequency. The efficiency of acoustooptic diffraction depending on the acoustic wave amplitude and phase mismatch is studied. It is established that the efficiency of the Bragg diffraction can approach 100% despite a noticeable phase mismatch. Optimal values for the ultrasound power and angles of light incidence onan acoustooptic cell are found.     

波带板法检测凹非球面的研究

非球面在光学系统中占有重要的地位,但其应用一直受到光学加工和检测技术的限制。波带板（Zone plate）法是对非球面进行检测的重要方法之一。文章详细介绍了波带板检测法的原理以及波带板的计算、制作过程,并针对在实际应用中,由于入射光和反射光两次通过波带板后有多级衍射光,导致不容易判别在什么位置才能方便观察,以及哪一组干涉图样才能正确反映反射镜信息这个问题,对整个检测过程进行了衍射模拟计算,为实验检测提供了参考。最后,通过实验检测,并与其它检测方法得到的结果进行比较,证明了所得结果的正确。