一种新型的光束分束结构--复合调制型光栅

提出利用表面既有浮雕,体内又有折射率调制的一种新型衍射光栅来实现光束分束功能。针对波长为850nm正负一级和零级等衍射效率的光束分束器,优化设计了面型为正弦形、三角形、矩形的浮雕光栅以及体积相位全息光栅和复合调制型光栅共五种光栅。同时数值模拟了该光栅结构在实验制作过程中对各光栅参量误差的不敏感程度,该光栅在实验制作上优于其他类型光栅。     

8×16四位相光栅分光器优化设计

设计了二维多位相光栅分光器的位相结构,并根据周期性位相结构推导出位相光栅的二维分光公式,使用模拟退火优化算法对二维8×16四位相光栅分光器的位相结构进行了优化设计,得到了二维分光效率为70.03%、不均匀度仅为4.6×10-4的位相光栅。将优化计算得到的位相分布结果进行拆分,制作了光刻版,利用光刻版套刻制作了四位相光栅分光器样品,并搭建光路对样品的分光性能进行了测试,结果表明,多位相结构能显著提高光栅的分束效率和均匀性。     

大点阵数二维Dammann光栅的制作与研究

报道了我们制作的二维Ｄａｍｍａｎｎ光栅──６５×６５大点阵光栅的实验方法和研究结果。在氮化硅膜上进行光栅图形的光刻和反应离子刻蚀，成功研制出６５×６５等光强分束Ｄａｍｍａｎｎ光栅。     

平面反射式二维光栅测量系统研究

针对超精密运动台的二维亚微米级精度同步测量需求，提出并建立了平面反射式二维光栅测量系统，研究了平面反射式二维光栅的平面位移同步测量方法，分析了平面反射式二维光栅测量系统的误差传递模型。通过Vold-Kalman滤波算法，对光栅信号中存在的高次谐波误差、幅值/相位误差进行实时修正和滤除。采用反正切细分算法和周期测量法对光栅正交脉冲的频率进行测量，实现对被测目标的高分辨率测量和实时运动速度测量。同时，构建了亚微米级测量精度的平面反射式二维光栅测量系统，测量范围为500 mm×500 mm,x、y方向的定位精度为±0.3μm，测量分辨率为0.005μm。     

光盘读写头光栅纵向和横向加工误差数值分析

基于标量衍射理论给出了矩形光栅衍射效率的一般表达式,数值分析了VCD、DVD和CD-ROM光盘读写头(光学头)分束光栅纵向和横向加工误差对辅助光束与读写主光束强度之比以及对透过率的影响.结果表明,对辅助光束与读写主光束强度之比,纵向加工误差与横向加工误差可以互补,但是,要以损失部分透过率为代价;对光学头分束光栅,其纵向加工误差与横向加工误差间存在的互补性,对光栅的具体制作有着实际的参考价值.     

移栅型全息光栅曝光干涉条纹锁定

为了提高全息光栅曝光系统的曝光对比度,抑制外部环境变化引起的曝光干涉条纹漂移,提出了一种移栅型干涉条纹锁定方法。采用分束光栅实现光源激光的分光及干涉条纹的相位调整。通过叠栅条纹间接测量干涉条纹相位变化,给出了双光电探测器的最佳探测位置。结合分光及相位调整功能,给出了分束光栅参数的设计方法。针对光栅曝光特点设计了控制器。从理论上对比了分束光栅与压电反射镜的相位调整性能。实验结果表明,采样频率为500Hz时,干涉条纹的低频漂移得到有效抑制,相位锁定精度达到0.13rad(3σ),即条纹漂移量低于±0.021个周期。该方法可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,提高曝光对比度。且分束光栅偏转对条纹周期影响小,相位调整性能仅与分束光栅参数相关,便于光路设计。     

计算机模拟双层矩形位相光栅的实时变分束特征

利用双层矩形相位光栅的实时变分束特征制作新型分束器进行了理论探讨。对2束、3束、4束光分束情况进行了分析，通过计算机模拟，从理论上求出其优化参数。     

100mm×100mm镀金反射光栅的制作与测量

衍射光栅在各行各业有着广泛的应用,这就要求光栅必须具有良好的质量。在制作大尺寸光栅的各种方法中,激光直写技术具有明显优势,采用并行激光直写技术制作出了尺寸为100mm×100mm、线数为1780line/mm的正弦形光栅。首先对光栅进行理论分析,找出正弦形光栅在效率最高时的槽深;然后用激光直写技术制作光栅,最后在光栅表面镀上一层金膜。测量了光栅的衍射效率,并预估光栅的均匀性。结果表明:光栅的衍射效率约为90%,与理论值接近,而且分布很均匀,证明了并行激光直写技术制作高质量、大尺寸光栅的可行性。     

锯齿槽闪耀光栅制作误差对衍射效率的影响

与矩形槽和正弦槽光栅相比,锯齿槽光栅具有高的衍射效率,可采用全息离子束刻蚀和单点金刚石车削两种方法制造。首先,介绍了这两种方法的制造误差。然后,分析了这些制造误差对用于可见近红外和长波红外成像光谱仪的光栅衍射效率的影响,指出闪耀角误差、槽顶角误差和刻刀圆弧半径是影响锯齿槽光栅衍射效率的关键因素。为制作高质量成像光谱仪用光栅奠定了理论基础和指导。     

亚波长多台阶结构大角度激光分束器设计

分束角度是衍射型激光分束器件重要性能指标之一。目前对大角度衍射分束元件的研究局限于Dammann光栅,Dammann光栅依靠周期内相位突变点对入射光波进行调制,其分束均匀性对突变点精度非常敏感,现有加工技术无法满足设计精度的要求。针对这一问题,提出利用亚波长多台阶结构来实现大角度的激光分束,给出了一个1×16,入射光波长1.55μm,衍射角29°的16台阶亚波长分束光栅设计实例。设计时利用标量理论获得一个多台阶结构作为初值,经严格耦合波理论结合遗传算法进行矢量优化后衍射效率达到89%,均匀性误差为4.53%。结果表明,亚波长多台阶结构能够实现大角度、高衍射效率以及高均匀性的激光分束。     

用二元位相光栅进行激光束叠加的研究

基于标量衍射理论,系统探讨了二元位相光栅实现激光束叠加的理论和位相光栅设计方法,利用新型遗传模拟退火混合算法得到优化的光栅参数,给出其用于分束和耦合时的模拟结果,并讨论实际误差对位相光栅耦合效率的影响.二元位相光栅用于激光束叠加有结构简单,调节灵活的优点,可以有效地提高激光束的功率密度和系统的整体性能.     

用等腰三角形位相光栅进行相干光并束的研究

为了满足未来惯性约束激光核聚变(ICF)的快速点火装置对高能量激光束的要求,提出并特殊设计了一种可用于ICF系统中相干并束的等腰三角形位相光栅.模拟计算和分析的结果表明,这种等腰三角形位相光栅对4束相干激光并束的效率理论上可以达到90.2%,比普通的二元达曼型位相光栅的衍射效率高22个百分点.相对而言,该光栅具有加工难度低、误差宽容度大等优点,有较强的实用前景.     

实现宽光谱斜入射光束高效耦合的谐闪耀光栅研究

提出了谐闪耀光栅结构,可实现多波长或宽光谱斜入射光束的高效耦合。理论分析表明,谐闪耀光栅谐振波长数目随谐波数增加而增加,因此可用于多波长斜光束的高效耦合;当谐波数达到一定数值后,可实现宽光谱斜光束的高效耦合。针对可见光波段设计谐衍射光栅对大间隔离散三波长和宽光谱连续波长(500～600nm)斜入射光束分别实现了100%和大于80%的高效率耦合功能。     

光致折变晶体中相位光栅的相位移动的物理作用

在光致折变晶体(如SBN,BaTiO_3等)中发生两波混频及能量耦合是由于晶体干涉场内产生了相对于干涉场有相位移动的折射率光栅(相位光栅),这已被实验和理论证实。如果仅有两波混频产生的相位光栅,而此光栅相对于干涉场并无相位移动,或相位移动量较小(不足π/2),此时不会发生波能量耦合或耦合极微弱。1981年A.Yariv用耦合波方程从数学上解决了这个问题。     

多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105W/cm2.     

Fabrication-Tolerant Waveguide Chirped Grating Coupler for Coupling to a Perfectly Vertical Optical Fiber

We report the simulation, fabrication, and measurement results of a waveguide grating coupler that could efficiently couple light between submicrometer-sized planar waveguides and vertical optical fibers. The coupler comprises a section of chirped grating which reduces back reflection and enhances coupling efficiency. Coupling efficiency of over 34% was measured and a 3-dB bandwidth of 45 nm was obtained. An experimental study showed that the coupling efficiency was tolerant to fabrication process fluctuations which may lead to random variations in slot width and the duty cycle of the grating periods.      

A high-efficiency grating coupler between single-mode fiber and silicon-on-insulator waveguide

We present the design of a diffractive grating structure and get the optimal parameters which can achieve more than 75% coupling efficiency (CE) between single-mode fiber and silicon-on-insulator (SOI) waveguide through 2D finite-different time-domain (FDTD) simulation. The proposed architecture has a uniform structure with no bottom reflection element or silicon overlay. The structure, including grating couplers, adiabatic tapers and interconnection waveguides can be fabricated on the SOI waveguide with only a single electron-beam lithography (ICP) step, which is CMOS-compatible. A relatively high coupling efficiency of 47.2% was obtained at a wavelength of 1562 nm.     

Nonvolatile Reconfigurable Phase‐Change Metadevices for Beam Steering in the Near Infrared

The development of flat, compact beam‐steering devices with no bulky moving parts is opening up a new route to a variety of exciting applications, such as LIDAR scanning systems for autonomous vehicles, robotics and sensing, free‐space, and even surface wave optical signal coupling. In this paper, the design, fabrication and characterization of innovative, nonvolatile, and reconfigurable beam‐steering metadevices enabled by a combination of optical metasurfaces and chalcogenide phase‐change materials is reported. The metadevices reflect an incident optical beam in a mirror‐like fashion when the phase‐change layer is in the crystalline state, but reflect anomalously at predesigned angles when the phase‐change layer is switched into its amorphous state. Experimental angle‐resolved spectrometry measurements verify that fabricated devices perform as designed, with high efficiencies, up to 40%, when operating at 1550 nm. Laser‐induced crystallization and reamorphization experiments confirm reversible switching of the device. It is believed that reconfigurable phase‐change‐based beam‐steering and beam‐shaping metadevices, such as those reported here, can offer real applications advantages, such as high efficiency, compactness, fast switching times and, due to the nonvolatile nature of chalcogenide phase‐change materials, low power consumption.     

利用不等间隔方法提高非相干组束的衍射效率

文章采用不等间隔方法,使得衍射效率高的部分占有较多的组束激光束,在光栅频率f=200mm-1,光栅厚度t=2mm条件下,不等间隔组束方法下的系统平均衍射效率较等间隔方法升高14%.