紫外全息闪耀光栅的制作

通过理论计算研究了影响闪耀光栅衍射效率的因素,并利用离子束刻蚀模拟程序模拟刻蚀闪耀光栅来确定闪耀光栅的制作参数。以理论计算的闪耀光栅参数为依据,以刻蚀模拟程序为指导,基于全息-离子束刻蚀工艺制作了闪耀波长分别为250nm和330nm,光栅尺寸分别为85mm×85mm,60mm×60mm,线密度均为1200lp/mm的闪耀光栅。第一种光栅闪耀角为8.54°,非闪耀角为72°,其250nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为81%;第二种光栅闪耀角为11.68°,非闪耀角为74°,330nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为80%。实验结果表明,提出的方法可以在制作闪耀光栅的过程中实现对闪耀角的精确控制,获得的实验结果与理论计算结果符合较好。利用该方法能够在大尺寸基底上获得衍射效率75%的紫外闪耀光栅。     

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。     

13.9 nm Laminar分束光栅的研制

利用全息-离子束刻蚀工艺制作了工作波长为13.9 nm的Laminar分束光栅.光栅的线密度为1 000 lp/mm,槽深13 nm,占宽比0.43,Au膜厚度为40 nm左右;当工作波长为13.9 nm,入射角为81.2°时,其0级与-1级衍射光衍射效率乘积的最大值为8.1%,同时0级与-1级衍射效率亦接近,约为27%和30%.实验结果表明,研制的Laminar光栅可用于13.9 nm激光的分束,能够获得＞7%的分束效率.     

宽波段全息-离子束刻蚀光栅的设计及工艺

设计和制作了一种在同一基底上具有多闪耀角的宽波段全息-离子束刻蚀光栅。提出了组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法,优化了3种闪耀角混合的宽波段全息光栅设计参数,并利用反应离子束刻蚀装置对该光刻胶掩模进行刻蚀图形转移,采用分段、分步离子束刻蚀技术开展了获得不同闪耀角的离子束刻蚀实验。最后在同一光栅基底上分区制作了位相相同,并具有9,18,29°3个不同闪耀角,口径为60mm×60mm,使用波段为200~900nm的宽波段全息光栅。衍射效率测试结果显示其在使用波段的最低衍射效率超过30%,最高衍射效率超过50%,实验结果与理论计算结果基本符合。与其它方式制作的宽波段光栅相比,采用宽波段全息-离子束刻蚀光栅不但工艺成熟,易于控制光栅槽形,而且光栅有效面积尺寸较大,便于批量复制。     

应用800nm飞秒激光制备长周期光纤光栅

利用800 nm钛蓝宝石飞秒激光器制备了长周期光纤光栅,并实验验证了长周期光纤光栅的高温特性.基于摄像头和电动位移平台设计了激光精确对准光纤纤芯的方案;以计算机控制1.3 mW飞秒激光,使用逐点曝光法在未经载氢处理的光纤上刻写了长周期光纤光栅,实验显示该光栅在1 200～1 700 nm波段的主谐振峰值可达-17 dB.利用高温箱对长周期光纤光栅进行高温传感特性实验,在300～800℃得到的主谐振峰温度响应灵敏度为0.056 nm/℃,线性度为0.992.实验结果表明,提出的以800 nm钛蓝宝石飞秒激光器制备长周期光纤光栅的方法稳定可靠,写制的光栅在高温环境下变化均匀,不易退化,响应特性良好,适用于高温检测.     

用于光束整形的表面等离子体双光栅结构

为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形,使之合并成为单瓣出光远场,在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO₂光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射,然后通过Au-Si₃N₄光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射,最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明：当Au-SiO₂光栅厚度为50 nm,填充因子为0.5,光栅周期为350 nm;Au-Si₃N₄光栅厚度为70 nm,填充因子为0.5,光栅周期为660 nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑,比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍;其远场透射光功率达到了模式光源的62%,是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍;同时腔面反射率也降低到12.4%,是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示,提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。     

压弯光栅线密度检测

对压弯光栅的线密度进行了实验研究。首先制作了大变化率的变线距光栅(约9.2 line/mm),并选取薄玻璃(0.16 mm)作为光栅基底材料。其后采用长程面形仪测试压弯后光栅面形,使用衍射法测试压弯前后光栅线密度,从而得到线密度的变化曲线。实验与理论计算结果误差小于0.41 line/mm rms。     

一种导模共振窄带宽的平顶滤波器设计

鉴于导模共振滤波器具有高峰值反射率、低旁带反射、窄带以及带宽可控等优良特性,采用亚波长光栅的导模共振效应设计了一种平顶滤波器。通过将亚波长光栅与类法布里-珀罗腔结合使用,实现了窄带宽平顶滤波的效果。基于严格耦合波分析方法和等效介质理论,使用FDTD软件对光栅衍射效率进行了仿真分析。仿真结果表明,平顶滤波器在1 130 nm处可获得2 nm宽的平顶,同时半高全宽达到6 nm,透射效率达到98%。通过微机电系统可以线性调节类法布里-珀罗腔的厚度,该器件可调谐的波长范围为1 130～1 300 nm,可应用于光通信、光开关等领域。     

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率.该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果.经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8％@300 nm,250 nm处衍射效率为50％,与“解析分区法”计算结果符合较好.实验结果表明,利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作.     

窄间隙条件下基于光纤Bragg光栅的曲面位移测量

在充分利用光纤Bragg光栅既是敏感元件又是传光元件这一特点的基础上,提出一种在曲面空间间隙小于1 mm的窄间隙条件下,测量两曲面间相对位移的方法。设计一种矩形弹片式传感探头,利用其挠度与应变之间存在的对应关系,通过应变对光栅Bragg波长的调制,获得光栅Bragg波长偏移量与曲面位移之间的线性关系。通过双光纤光栅的应变差动成功消除了光纤Bragg光栅存在的温度干扰问题。结果表明,当曲面相对位移量在0.35～0.85 mm范围内时,测量系统的灵敏度达2.54 nm/mm,线性度优于1%。     

增量式光栅转化为绝对式时栅的理论方法与技术实现

分析了光栅、感应同步器和时栅3种典型传感器的原理和数学模型.找出它们在原理和技术上的共同之处,进而提出一种新的设计方案,从原理上证明可以将低精度低分辨力增量式光栅传感器,利用感应同步器的电行波产生原理,转换成为高精度高分辨力时栅传感器.设计实验平台进行了原理验证性实验,实验结果表明,利用时空正交驻波合成行波的方法可以实现将增量式光栅转化为绝对式时栅.最后对实验中影响行波质量的原因进行了分析,并提出了解决方法.     

光栅刻划刀架系统的运行精度对光栅光谱性能的影响

采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案:采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明:改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127nm降低到13nm,降低了约89%。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。     

一种二维光栅干涉仪的研究

本文描述了一种以二维正交反射光栅为计量基准元件,以透射光栅为分光元件的二维光栅干涉仪,从研究光栅表面的光扰动出发,分析了这种干涉仪的原理及所用光栅间的匹配关系,通过实验分析了干涉仪的调整方法及主要误差,实验结果表明：这种新型二维光栅 的精密线值计量方面有着良好的应用前景。     

紫外平面全息正弦光栅与闪耀光栅部分特性的理论研究

基于有限电导率光栅的微分理论,对工作在紫外光区的全息正弦光栅和三角槽形光栅的衍射效率做了数值计算。给出了紫外全息光栅的闪耀特性分布曲线并分析了三角槽形光栅顶角大小对衍射效率的影响。     

PC光学树脂计量圆光栅的制作

为了解决目前计量圆光栅的玻璃基片无法适应振动强度大、冲击力强等恶劣环境的问题,提出了采取新型材料聚碳酸酯(PC)来替代玻璃作为计量圆光栅制作基片的方法。分析了PC光学树脂的透光特性、耐热性和耐化学性能,给出了清洗PC的具体配方;结合现有光刻复制工艺,研制出先胶后铬的新型复制工艺;最后,以PC作为计量圆光栅基片,在蒸镀真空度为1.2×10-3Pa,蒸发距离为150mm的条件下,采用蒸发源质量控制膜厚的镀铬工艺参数,制作出了PC光学树脂基片的计量圆光栅。在45×显微镜下观察光栅线条,结果显示,线条陡直,无龟裂,表明该新型工艺可行,工艺参数正确,为进一步研制以PC光学树脂计量圆光栅为核心元件的精密测角仪器等提供了试验基础。     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。     

基于变耦合系数变压器原理的时栅位移传感器设计

原有的时栅传感器设计中采用了电机绕组产生旋转磁场的方案，但是电机定子绕组分布不均带来了误差。原有的差线栅传感器中采用了齿栅的结构，但实验表明它对齿的加工精度太敏感。本文提出了一种新的行波形成方法，实验表明，按此方法设计的新的传感器，可以解决上述2个问题。     

用于傅里叶变换轮廓术的多频光栅设计方法的研究

针对傅里叶变换轮廓术(Fourier transform profilometry,FTP)的实际应用,在介绍FTP的基本原理基础之上,提出了几种多频光栅的设计和实现方法,通过多频光栅的设计,旨在提高FTP的测量精度和速度。