光纤光栅反射率分布对外腔半导体激光器的影响

在三腔镜近似的条件下,利用等效腔模型,完成了光纤光栅外腔半导体激光器(FBGECL)的理论建模。利用光纤布拉格光栅相关理论,对FBG-ECL模型进行了修正,着重考虑了光纤布拉格光栅的反射率分布、中心波长偏移以及边模抑制比对FBG-ECL性能的影响。对FBG-ECL的等效反射率、阈值增益和线宽特性进行了数值分析。结果表明,在考虑光纤布拉格光栅中心波长与设计波长偏移量、光栅反射率分布以及边模抑制比后,等效腔理论模型更加符合实际情况,可以更为准确地分析实际情况中FBG-ECL的相关特性,对设计应用于FBG-ECL的光纤光栅有一定的指导意义。     

光纤光栅中心波长与设计波长偏移量对外腔LD的影响

本文在三腔镜模型近似的情况下,利用等效腔模型,完成了光纤光栅外腔半导体激光器（FBG-ECL）的理论建模。利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating）相关理论,对FBG-ECL模型进行了修正,着重考虑了光纤Bragg光栅的折射率分布、中心波长偏移以及边模抑制比对FBG-ECL性能的影响。对FBG-ECL的等效反射率、阈值增益和线宽特性进行了数值分析。结果表明,在考虑光纤Bragg光栅中心波长与设计波长偏移量、光栅反射率分布以及边模抑制比后,等效腔理论模型更加符合实际情况,使得可以更加符合实际情况地分析光纤光栅外腔半导体激光器相关特性,并且对设计应用于FBG-ECL的光纤光栅有一定的指导意义。     

多共振峰圆形光栅滤波器

提出了一种导模共振圆形光栅滤波器,以实现它在可见光范围内的多波段滤波。理论分析了圆形光栅滤波器在同一入射波偏振条件下形成多个共振峰的原因。通过微纳加工技术在硅基二氧化铪材料上实现了光栅层约为70nm的圆形光栅薄膜结构。利用一维线性光栅对圆形光栅的反射谱进行了模拟,通过角分辨微纳反射谱测试系统获得了该光栅滤波器在不同入射波偏振条件以及不同入射角时的反射谱。实验表明,在特定的光栅周期以及占空比条件下(如光栅周期350nm,占空比0.5),当线性偏振光正入射时,该圆形光栅滤波器形成了两个共振峰(505nm处和575nm处),与模拟结果基本符合。另外,光栅占空比相同时,随着光栅周期的增加,共振峰会向较长的波段偏移。实验显示:通过设计不同结构的亚波长圆形光栅,可以实现可见光范围内多个特定波段的滤波作用。     

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。     

光栅平动式光调制器的光学特性分析和仿真

光栅平动式光调制器是一种基于MEMS工艺的光调制器,依据菲涅尔衍射理论和傅里叶光学理论对光栅平动式光调制器工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真.结果表明光栅平动式光调制器在工作中处于开态时,可动光栅下降的距离应该是入射波长的1/4;设计时,关态选择h=λ0/2;占空比对光栅平动式光调制器的光学特性有着重要影响,最佳占空比为1/2;高度误差对调制器的开关系数影响很大,要精确控制.     

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。     

压弯光栅线密度变化分析

理论上给出了光栅在子午面内弯曲为任意面形后,光栅线密度的变化关系,并采用有限元分析软件ABAQUS/Standard进行了模拟分析。理论与模拟分析的结论说明,压弯后光栅线密度是由光栅本身参数及压弯面形严格决定的。在此基础上设计一个简单的单色器,并在数值上给出了压弯后光栅线密度变化对单色器件性能的影响。由于光栅面形及其线密度的变化,不仅对光栅成像的聚焦特性有所改善,对彗差等高阶次像差的影响也是不可忽略的。     

平面光栅单色器系统光路设计和像差计算

本大根据Michael P. Chrisp的全息环面光栅系统波像差理论,重新推导了平面对称光橱系统的像差系数,使理论的适用范围延伸到多种面形(环面、抛物面、椭球面等)所组成的系统.应用上述公式,本文建立了适用于各种面形的光学系统像差计算程序,并对若干平面光栅单色器实例进行了分析计算.结果表明,该方法对设计分析这种系统是十分有效的.     

倾角对倾斜光纤光栅光谱特性的影响

基于倾斜光纤光栅模式耦合理论,研究了倾斜角度对光纤光栅光谱特性的影响,并应用OptiGrating软件进行数值模拟仿真。通过对不同倾斜角度得到的光纤光栅反射谱及透射谱的研究发现,随光栅倾角的增大,布拉格波长的中心波长偏移,同时反射率下降,而包层模式耦合增强,透射损耗变大,群时延减小。仿真结果对光纤光栅的设计和优化有一定的指导意义。     

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。     

亚波长光栅的衍射效率

本文使用矢量衍射理论一严格的耦合波理论对亚波长光栅的衍射效率进行了数值计算，得到在不同光栅参数时亚波长光栅的衍射效率，对影响光栅衍射效率的各个光栅参数分别进行分析，讨论了光栅在光栅参数变化时的衍射特性，给出衍射效率随光栅各个参数的变化曲线。由结果可知亚波长光栅的衍射效率随光栅槽的深度以及光栅占空比有着规律性的变化，选取不同的光栅参数就可得到完全不同的衍射效率，这样就为设计出所需要的光栅滤波特性提供了制造依据。     

正交调制复合光栅投影的三维测量机理及仿真

介绍了采用复合光栅来进行快速测量获取物体三维信息的方法。该方法通过投影由载频光栅携带与其正交的相移光栅而形成的复合光栅来进行三维面形测量。建立了基于复合光栅方法的三维测量理论模型,运用复合光栅完整模拟物体恢复的过程,模拟结果证明了该方法的可行性。该方法具有祛噪功能,由于只需投影一幅复合光栅图像和采集一幅变形光栅图像就实现了物体的重建,因此适用于物体三维面形的快速实时测量。     

Design, fabrication, and characterization of diffraction gratings for neutron phase contrast imaging

We have developed a neutron phase contrast imaging method based on a grating interferometer setup. The principal constituents are two absorption gratings made of gadolinium and a phase modulating grating made of silicon. The design parameters of the setup, such as periodicity, structure heights of the gratings, and the distances between the gratings, are calculated. The fabrication of each grating is described in detail. The produced diffraction gratings were finally characterized within the setup, by locally evaluating the produced contrast (visibility) in each detector pixel, resulting in a visibility map over the whole grating size. An averaged value of 23% is achieved.     

用于1 m Seya-Namioka单色仪的 1 200 lp/mm Laminar光栅

针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求,采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先,通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比,在理论设计的误差允许范围内,对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀;然后,将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶;最后,采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜,采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构,结果显示光栅槽深为40 nm,占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明,镀铝光栅效率明显高于镀金光栅,获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年,其寿命大大超过复制光栅,基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。     

平板波导凹面衍射光栅设计方法研究

提出了一种平板波导凹面衍射光栅的设计方法,即改进的刻槽位置递推计算方法。该方法是对原有刻槽位置递推计算方法的改进,利用该改进方法可实现平板波导凹面衍射光栅的精确设计,特别是一些特殊光栅结构的设计。光栅的刻槽位置可通过一组约束方程表示,利用递推方法可求得约束方程的数值解。为提高计算精度,在方程组的数值求解过程中引入牛顿迭代算法。设计了两种特殊的光栅结构,即平接收场结构和平顶频谱响应结构,模拟结果证明了采用该方法进行设计的必要性和有效性。     

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。     

Diamond shaping of blazed gratings on freeform surfaces

The study of spectral signatures of various elements has been enabled with the ability to diffract light using optical gratings, coupled with the ability to control light using lenses and mirrors. As technological devices seek to become more compact while maintaining or increasing operational efficiency, integration of functions becomes necessary to reduce the overall component count. However, due to the lack of axial flexibility, integrated microstructures on complex forms have shown to be challenging to manufacture. Thus, the need for fabrication techniques to be able to produce such microstructures on non-planar surfaces arises. The Continuous Rotating Freeform Shaping (CRFS) algorithm proposed in this paper utilizes the axial flexibility and precision of Ultra-Precision Machining (UPM) to directly fabricate optical quality blazed gratings on complex profiles which can directly be used as mirrors or molds. The developed algorithm not only maintains the tool along the primary profile of the optical surface, but also the rake angle of the tool at every point along the surface for a constant cutting mechanism. This is coupled with a rotation of the tool to maintain the blazed angle across the surface, optimizing the surface for the efficiency of the grating for a specific wavelength. In this paper, the developed algorithm is presented with experimental verifications of the generation of blazed gratings on a high curvature spherical surface and a freeform tri-axial ellipsoidal surface, followed by the corresponding analysis.     

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.