基于严格耦合波理论的亚波长光栅优化设计

亚波长衍射光栅的衍射效率不但与入射光的特性有关,而且与光栅结构和折射率等参数有关。采用严格耦合波理论对亚波长光栅的衍射效率公式进行了推导,对不同光栅结构参数(周期、槽深,占空比)和光栅脊、槽的折射率的亚波长衍射光栅的衍射效率进行了数值计算并用MatLab软件进行仿真模拟,光栅槽深与周期的比值为0.425,占空比为0.507,并且光栅脊、光栅槽的折射率为2.37时,得到具有最佳滤波和衍射效果的亚波长光栅的优化结构。     

铝质紫外闪耀光栅衍射效率的模拟计算及其与实验结果的对比

为了考查实际导体紫外闪耀光栅在不同安装条件下各级次及总的衍射效率随入射波长变化情况,在互易定理及等效场原理支持下,利用我们提出的数值求解金属闪耀光栅的多次Kirchhoff积分方法,分别计算了不同参数的铝质紫外闪耀光栅在不同安装条件下的衍射效率曲线,并与本课题组早期完成的有关实验结果进行了对比,表明入射光的偏振特性对闪耀光栅衍射效率的影响是很大的.     

具有特定滤波特性的防伪用亚微米光栅的设计和制作

用于防伪技术的亚微米光栅的重要特性是在可见光范围内其零级衍射效率的滤波特性随着入射光的入射方位角(入射面与光栅槽的夹角)改变而改变,零级衍射效率曲线的中心波长发生移动.利用严格的耦合波理论分析计算其衍射效率特性,由所需要的衍射效率特性设计光栅参量,通过精细加工制作工艺,制造出周期为416 nm的亚微米光栅,其零级衍射效率的峰值波长的测量值在入射光零度方位角入射时为466 nm,90°方位角入射时为627 nm,与计算结果一致,由此完成具有特定滤波特性的防伪用亚微米光栅的设计和制作.     

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。     

基于反射型全息光栅的温度响应特性研究

针对全息材料的热膨胀,研究了温度变化时,全息光栅条纹结构的变化情况并对多块不同制备条件下记录的反射型全息光栅进行20℃到80℃间的温度特性测量。测量结果表明,反射型全息光栅的衍射布拉格峰随温度变化而平移,最大衍射效率也因此改变。此外,反射型全息光栅对温度变化的敏感性与其条纹周期有关。     

非异常区TM偏振波宽波段特性在激光器调谐光栅设计中的应用

通过刻划工艺控制光栅槽形零级面宽度,使-1级和0级衍射效率同时达到期望值是激光器调谐光栅研制中的技术难题。基于光栅电磁场理论,利用光栅非异常区入射波长与光栅周期之比λ/d≈1.414附近较宽波段范围内TM偏振波的衍射效率变化梯度小,而且同一波长的衍射效率随闪耀角增大呈单调递增或随槽顶角增大呈单调递减趋势的特性,给出了-1级振荡0级输出激光器调谐光栅的全三角槽形模型及设计方法。该方法用常规三角槽形光栅即可实现任意比值的-1级与0级衍射能量分布,避免了以往通过控制类梯形槽形零级面宽度来制作此类光栅的工艺不确定性,降低了制作难度。应用该模型设计并制作了-1级衍射效率为65%的0级输出激光器调谐光栅,其在10.6μm处的衍射效率误差为0.6%。该方法还适用于-1级振荡-1级输出激光器调谐光栅的设计,实现了两类激光器谐振光栅在设计方法以及制作工艺上的统一。     

法诺光栅的共振特性研究

针对亚波长光栅的共振特性,设计了一种基于法诺共振的亚波长光栅并研究了其共振特性。利用光学模拟软件FDTD Solutions对该光栅结构进行数值模拟,在可见光波段,对影响光栅性能的周期、折射率、占空比等光栅参数进行了研究,从而得到了一种共振强度高、谱线精细、共振峰位置可控的法诺共振谱线。该研究成果可用来研制1 nm精度的光谱滤波器。     

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。     

任意槽形金属光栅衍射特性的矢量理论分析与计算

根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述任意槽形金属光栅衍射特性的矢量理论分析方法——严格的耦合波方法,该方法可用来分析具有任意面型函数的金属光栅在TE,TM两种偏振模式的平面波入射下的光栅衍射特性.文中讨论了光栅结构参数,入射波参数对衍射效率的影响以及金属光栅的损耗.     

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。     

软X射线掠入射金属光栅闪耀特性的 校正傅里叶展开微分法分析

在有限电导率光栅的微分理论中引入校正傅里叶展开方法,改善了计算收敛性。运用改进后的微分理论对软X射线波段掠入射金属光栅的闪耀特性做了数值分析,通过详细考察三角槽形、正弦槽形和矩形镀金光栅的软X射线-1级衍射效率对光栅结构参数和入射光状态参数的响应程度,给出了一种在使用和制作工艺上都能够接受的光栅技术指标。结果表明,作为闪耀波长为10.33 nm的软X射线波段掠入射镀金光栅,采用81°入射的刻线密度为1 200 l/mm,倾斜角为2°,顶角大于120°的三角槽形光栅较为合适,其效率可达到50%以上。同时,得到了一些优化软X射线波段掠入射金属光栅设计的新结论。     

光栅衍射效率的理论计算及实验验证

本文给出了一组可用于计算任意光栅绝对衍射效率的积分方程。通过解这些方程给出了三类光栅的效率曲线:红外光栅、可见光栅和掠入射光栅。本文还分析了光栅槽形顶角对光栅衍射效率的影响,并研究了掠入射光栅槽形衍射面角的选值问题,最后,给出了一些计算效率值的实验结果。     

工作波长为13.9nm的Laminar分合束光栅研制

目的：基于衍射光栅分合束元件的软X射线Mach－Zehnder干涉系统在惯性约束聚变,X射线激光等领域都有重要的应用前景。针对该干涉系统的特点设计、制作了工作波长为13.9nm的矩形分合束光栅。方法：利用全息曝光－离子束刻蚀工艺制作了特定参数的矩形光栅,利用长行程面型仪（LTP）对其线密度进行了测量,利用原子力显微镜测量其槽深与占宽比,利用国家同步辐射实验室（NSRL）U27实验站测量其衍射效率。结果：该矩形光栅的参数为线密度1000l/mm,槽深13±0.2nm,占宽比0.4±10%,Au膜厚度为40±0.5nm;在工作波长为13.9nm,81.2°入射时,其0级与-1级衍射光衍射效率乘积的最大值为8.6％,同时0级与-1级衍射效率亦接近,约为27％和30％。结论：测量结果充分证明矩形光栅作为13.9nm激光的分合束元件是能够获得高分合束效率(>7%),且矩形分合束元件易于制作。     

任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析与计算

根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析方法——严格的耦合波方法,该方法可用来分析具有任意面型函数光栅在TE,TM两种偏振模式的平面波入射下的光栅衍射特性.文中讨论了偏振状态及光栅结构参数对几种典型槽形光栅衍射场的影响.