对达曼光栅进行二维扩展的矩形孔径光栅设计

介绍一种二元光学元件的设计方法。为了克服达曼光栅在二维设计上的局限性,采取均匀采样的矩形孔径编码方式进行优化设计。结果表明:与达曼光栅相比,不仅可将总衍射效率提高10 %以上,还可得到更多样的二维设计图样,只是输出点阵均匀度略低于达曼光栅。因此,在均匀度要求不太高的高强光束变换中,这种二值型位相光栅的设计方法对于设计二维衍射图样十分简便有效,且其计算结果易于加工制作,具有很高的应用价值。     

用二元光学方法制作的高效率衍射光栅

用二元光学理论讨论高衍射效率的光栅的原理及其制作方法．并用微电子工艺做出了二次量化四位相台阶的光栅，实验测得一级衍射效率为６８％。     

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。     

亚波长周期结构抗反射介质光栅的衍射特性

用严格耦合波理论(RCWA)计算了当折射率取一系列离散值时的二维亚波长周期结构介质光栅出现一级衍射透射波的周期值,进而利用最小二乘法拟合出临界周期点随折射率的变化规律;利用一维单台阶和多台阶光栅在TE、TM偏振状态以及二维单台阶圆柱状光栅和二维金字塔结构多台阶光栅进行验证,发现它们同样满足临界周期点的变化规律。结果证明,对于任意面形的亚波长周期结构介质光栅的一级衍射效率都有这一规律。     

多级位相光栅的设计

本文研究了多级位相光栅的设计原理，给出了几组不同陈列数的多极位相光栅的设计参数。结果表明所设计的光栅各级衍射光强均匀分布且具有较高的衍射效率。     

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.     

9.77 μm激光器零级耦合输出选频振荡光栅的设计和研制

建立了实际刻划光栅的物理模型，给出了相应的衍射效率表达式，进而阐述了红外激光器零级耦合输出选频振荡闪耀光栅的设计原理。根据理论分析结果，采用调整刻划负载控制三角槽形闪耀光栅零级面。双向逐步逼近1级和零级衍射效率设计值的方法和工艺，研制了在利特罗(Littrow)安装下1级衍射效率为86．5％，零级衍射效率为10．3％的9．77μm红外激光器零级耦合输出选频振荡镀金闪耀光栅。检验结果表明，由加工误差引入的1级和零级衍射效率与设计中心值的偏离量分别仅为0．6％和3％。     

编码孔径光谱成像仪中凸面闪耀光栅的研制

针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求,提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法,利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理,并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上,采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明,在3~5 μm光谱范围内,最大衍射效率为93.46%,平均衍射效率为84.29%,与理论设计值较为吻合,验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。     

激光直写技术应用于烫金箔隐形图像上的研制

用电子束逐行扫描方法刻蚀衍射光学元件的浮雕结构精度高而速度低。提出了一种采用逐点激光直写浮雕位相结构方法来产生具有隐形图像反射二元整形元件，指出用方点光刻位相结构有利于衍射效率的提高。在激光烫金箔上制作具有隐形图像功能的二元整形位相结构，再现图像的 1级衍射效率可达12％—21％，给出了实验结果。     

体光栅二维耦合波方程解析解的再探讨

针对完全重叠型的体光栅,在布拉格衍射范畴内给出二维耦合波方程的完整推导,并给出方程组的闭形式解析解.该解析解能够解决完全重叠型的均匀光栅的普遍衍射问题.研究了二维有限尺寸体光栅的衍射性质特别是衍射效率与光栅二维尺寸及介质吸收系数之间的关系.对于无吸收的光栅,参考光束相对物光束越宽,衍射效率将越高.当介质的吸收不可忽略时,对于耦合较强的光栅,参考光尺寸的增大反而会引起衍射效率的下降.为了获得最优的衍射效率,应当根据介质的吸收率合理地设计光栅的几何尺寸.     

计算层析成像光谱仪中二元光学元件的研究

报道了用二元光学技术制作的二维位相型衍射光栅作为计算层析成像光谱仪中的光谱元件.对该光谱元件衍射阵列的强度分布、衍射效率以及各衍射级效率对波长的响应曲线进行了实验检测.结果表明,实验与理论相一致.     

1×11亚波长结构Dammann光栅的研制

论文基于严格耦合波理论（Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA）,并采用遗传算法进行优化,设计并制作了一种具有高衍射效率的亚波长结构Dammann 光栅。光栅的分束比为111,最小特征尺寸为0.95 m,衍射效率设计值达到95%,优于传统Dammann 光栅约15%,且均匀性设计值小于2%。论文采用电子束光刻直写技术和反应离子刻蚀技术在石英基底上制作出亚波长结构图形。实验结果表明,电子束扫描曝光可以获得纳米级的图形分辨率。对石英基底的反应离子刻蚀中,射频功率、工作气压及气体流量均对刻蚀速率和栅线的表面形貌产生不同程度的影响,论文主要针对该问题进行了讨论。同时,论文也对电子束光刻直写过程中产生的线宽误差因素进行了分析。     

二维周期结构色散特性的矢量理论分析

在矢量衍射理论基础上给出了任意斜入射下二维周期结构(网格光栅)的角色散表达式。研究表明，二维周期结构的色散特性分析可以将一维光栅涵盖在其中。并阐述了(m，0)级和(0，n)级衍射波的角色散彼此不相关的独立性原理。     

动态干涉仪的位相光栅衍射效率研究

为了解决普通二维光栅在动态干涉术中光能量利用不足的问题,使用标量衍射理论和傅里叶分析法对矩形正交位相光栅和棋盘型位相光栅的衍射效率进行推导,分别对两种光栅的最佳工作级次选择策略进行研究。分析结果表明,当分光器件为矩形正交位相光栅时,应选择(0, 1)级与(1,0)级作为动态干涉仪的工作级次,光能量利用率达到54.4%;当分光器件为棋盘位相光栅时,应选择(1,1)级作为动态干涉仪的工作级次,光能量利用率达到65%。实验对比了两种光栅在动态干涉仪上的应用效果,当选用(1,1)级作为工作级次时,结果表明使用棋盘型位相光栅的应用效果优于矩形正交位相光栅。因此在动态干涉仪中使用棋盘位相光栅并选用(1,1)级作为工作级次能够消除光能量利用不足对测量造成的影响。     

正交二元位相光栅的减反射特性

根据二维矢量耦合波衍射理论，分析了正交二元位相光栅的衍射特性，发现在适当选取光栅参数时，其反射率可以减小到几乎为零，并且这种减反射特性与入射光的偏振态无关。     

复杂形貌亚波长阵列的周期长度测量研究

设计并建立了一套基于光纤光谱仪的光学测试系 统,将由电子束光刻技术制备的一组 具有手征结构形貌的二维周期阵列结构作为样品,其由扫描电镜(SEM)测量得到的周期长度 分别约为520、570nm。测试并研究了二 维手征周期结构在白光垂直入射条件下光谱随衍射角的变化规律,以及将衍射光学方法用于 复杂形貌的亚波长二维阵列的周期长度测量效果。结果表明,随着衍射角增加,所有样品的 衍射波长均向 长波偏移;在同一衍射角下,样品的衍射波长与其周期结构具有对应关系。利用正交光栅 衍射方程,模 拟了白光在垂直入射条件下的衍射光谱变化,以此推算样品的周期尺寸与SEM测得的数据相 差小于3％,获得了良好的效果,表明了一般正交光栅衍射方程在复杂形 貌结构中的适用性。     

台阶光栅衍射效率的傅里叶分析

用傅里叶方法对台阶光栅衍射效率进行了分析,得出任意台阶数,任意台阶高度的二元光栅任意级次的衍射效率公式.针对二台阶光栅分析了台阶高度,台阶宽度,不同波长对+1级衍射效率的影响,理论图像清晰,结果简单明了.     

线光栅扫描实现衍射图形的矢量化直写

在双光束激光直写系统中，衍射光变图像的光刻是逐像素点进行的．本文提出在该系统中采用狭缝获得光栅线来进行衍射图形的直写，利用一种改进的矢量文件格式，使平台沿着垂直光栅线的方向运动，获得连续的多光点同时直写，直写后的衍射光栅线是连续的，系统的运行效率是逐点光刻的几十倍．编写了与DXF文件的接口直写控制程序，给出了实验结果．     

用于光盘系统的位相光栅

本文设计出一种用光盘系统的位相光栅，介绍了设计原理方法，采用傅里叶变换分析了衍射光束的空间频谱及光强分布。     

双色量子阱红外探测器中的耦合光栅

在量子阱红外探测器(QWIP)上制备光栅的目的是对垂直入射的红外辐射进行有效耦合。从实验、测试和有关文献出发,探讨了影响其耦合效率的参数及参数的优化值。重点分析了双色QWIP的光栅设计问题,并从提高双色量子阱红外探测器光栅耦合效率和响应均匀性出发,介绍了一种新型交叉组合二维双周期结构光栅的设计方法;以一种具体AlGaAs/GaAs双色量子阱红外探测器为例,模拟了对应的交叉组合二维双周期结构光栅的几何参数和耦合强度,并与传统的二维双周期光栅结果对比,显示了新型双周期结构光栅在提高光耦合强度方面的优越性。