光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较

光栅的标量衍射理论是计算衍射效率的一种近似方法 ;耦合波理论是分析光栅衍射的严格方法。本文详尽地分析了这两种方法在计算具体的光栅衍射问题时的异同 ,从中得出了有意义的结论 :光栅的标量衍射理论的近似是有条件的 ,光栅周期和光栅槽形就是影响这一近似条件的两大因素。     

严格耦合波方法计算立体正弦光栅衍射效率

为了研究振幅型光栅的衍射效率,运用严格耦合波方法建立立体正弦透射光栅的计算模型。用Matlab软件编程计算衍射效率,并模拟了光栅层附近区域内的光场振幅和相位分布。计算结果表明模型衍射效率与平面的正弦型光栅有差别,其与周期,光栅厚度相关;在一定条件下两者非常接近。     

收敛耦合波法(增强传输矩阵法)用于计算色分离光栅特性

从麦克斯韦方程出发,利用耦合波理论和增强传输矩阵的方法,计算了ICF系统使用的色分离光栅(CSG)的衍射特性.得到了比标量理论设计计算更为精确的结果.计算结果表明,色分离光栅的周期越小,三倍频光的零级衍射效率越低.     

任意面形介质光栅的衍射特性分析

采用严格耦合波理论(RCWA)和多层近似法,详细的推导了任意面形介质光栅的衍射问题,得出了其矩阵求解方程,并采用增强透射矩阵法来避免直接求解带来的数值不稳定,提高了计算效率.使用该方法对梯形光栅进行了数值计算,结果表明采用严格耦合波理论和多层近似法,可以方便、有效地求解任意面形介质光栅的衍射效率问题,计算中光栅在不同参数下衍射效率的总和严格等于1,且未有数值不稳定性问题.     

光谱巡天科学级紫外光栅的研制

不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式,中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱,波长覆盖范围为250～1000nm,光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段,制作难度高,且不能从国外获得。经过多年努力,光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件,分析了衍射光栅制作参数的优化,给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析,发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域,并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后,光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制,获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333line/mm,闪耀角为12.51°,峰值效率波长控制在315nm,紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%,平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平,衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ,峰谷值(PV值)达到了0...     

利用相位闪耀光栅的光学相控阵扫描性能分析

针对透射型和反射型光学相控阵器件,分别进行扫描衍射效率和扫描角精度的理论及仿真研究。首先,以阶梯相位闪耀光栅为理论模型,推导了光学相控阵器件的扫描衍射效率及扫描角精度的表达式;其次,以器件的实际特性对表达式进行修正,给出了近似实际情况的扫描性能表达式;最后,在假设的器件参数条件下,对0°入射透射型器件和45°入射反射型器件的扫描性能进行了仿真分析。仿真结果表明:两种器件的扫描衍射效率与扫描角精度都随扫描角的增大而加速下降;透射型器件的扫描衍射效率和扫描角精度关于阵面法线对称分布,而反射型器件关于45°出射角不对称。最后还讨论了激光线宽对扫描角精度的影响,说明了此影响在10-9°量级。     

一维周期光栅的菲涅耳衍射研究及光栅常数的测试

基于标量衍射理论研究一维周期振幅型光栅在不同照明条件下的光波场分布,理论上获得了平面波和球面波照明条件下的菲涅耳衍射场的分布特征,并给出实验证明。根据研究结果,提出一种测量光栅常数的方法,并将该方法与用分光计测量的结果进行比较。通过实验证实了所提出方法的可行性。     

矩形光栅局部结构误差对衍射效率的影响

为了提高高光谱遥感技术的分析精度, 利用标量衍射理论, 对矩形光栅局部结构误差的衍射效率进行了分析, 并计算了光栅局部周期和缝宽误差对衍射效率的影响。结果表明, 当加工误差使得光栅局部缝宽变大时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变小, 这一误差对±1级处的衍射光强影响相对较小, 随着误差的增加, 越高的衍射级次其光强下降得越快; 而当加工误差使得光栅局部缝宽变小时, 会造成光栅各主极大(除零级)衍射光强变大, 同样, 当误差变大时, 相对±1级的衍射光受到的影响而言, 级次越高对应的主极大衍射光强增大得越快。该研究对于加工矩形光栅减小局部周期和缝宽误差控制提供了参考。     

光致聚合物全息光栅曝光特性的研究

为了研究采用由曙红做染料、丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺构成的光致聚合物制成的全息透射光栅的曝光特性,用实验的方法探索了光栅空间频率、曝光强度、曝光时间等因素对该透射光栅衍射效率的影响。实验表明,聚合物全息透射光栅空间频率,曝光强度,曝光时间都有一个互相关联的最佳范围,在这一范围内衍射效率能达到最大值。当聚合物光栅在空间频率为2751 line/mm附近,曝光强度在12mW~15mW之间,曝光量在770mJ/cm2左右时,衍射效率最大。最大衍射效率能达到75%左右,在全息光栅中衍射效率较高。     

平面变间距光栅的夫琅禾费衍射场分析

采用对单缝衍射结果进行直接叠加和根据标量衍射理论进行严格积分的两种方法进行推导,分析平面变间距光栅的夫琅禾费衍射场光强分布.在光栅各周期狭缝宽度δ0相差不大时两种方法得到的光强分布差异不大;但当δ0变化较大时,虽然零级衍射中心重合,但是在其他级次,如一级衍射极大的光强在峰值大小和位置上都表现出明显的差异.文中还通过变间距光栅的实例和matlab数值模拟进行分析,根据标量衍射理论通过严格积分将能给出更为普适的结果.在此基础上,联系平面变间距光栅夫琅禾费衍射场的光强分布,对这类光栅的位移传感和自聚焦特性做了介绍.     

硅基片上刻蚀衍射光栅及其平坦化设计

刻蚀衍射光栅（EDG）作为实现波分复用功能的关键器件,对于片上光互连的实现至关重要。为了实现1310nm波段通道间隔为20nm的硅基EDG,采用了基尔霍夫标量衍射理论仿真方法进行理论设计和仿真验证,通过在闪耀光栅反射面引入布喇格反射光栅来提高反射效率、降低器件插入损耗,并在入射波导处引入多模干涉耦合器以实现通道频谱平坦化设计。结果表明,闪耀光栅反射面的反射效率由35%提高到了85%,1dB带宽达到12nm。这对于提高系统稳定性、增大传输距离和容量、降低系统成本具有显著作用,能够满足光互连系统的实际应用需求。     

薄膜太阳电池二元光栅结构

提出了采用二元光栅结构提高太阳能薄膜衍射效率的技术方法。利用对透射率函数的傅里叶变换计算出垂直入射时二元光栅的衍射光场分布。研究了不同阶次二元光栅在可见和近红外波段的衍射零级光强和总衍射效率随波长变化的规律。以硅基太阳能薄膜为例,分别计算了普通相位光栅和二阶、三阶二元光栅随波长零级光强的变化规律和衍射效率。结果表明,与普通相位光栅结构相比,二元光栅结构能够在较宽波段提高光衍射效率。     

宽波段凸面闪耀光栅优化设计

凸面闪耀光栅是研制高光谱分辨率成像光谱仪的关键元件之一,一般凸面闪耀光栅的有效波段范围较窄,较难满足宽波段成像光谱仪对光栅衍射效率的需求。为拓宽仪器观测波段,对其中凸面闪耀光栅进行了优化设计。以0.4~2.5 m波段Offner型成像光谱仪为例,研究了凸面光栅单衍射级和双衍射级共路两种色散结构,采用分区闪耀光栅和双角闪耀光栅来提高宽波段范围内的衍射效率。优化设计了两种双闪耀光栅在不同色散结构下的槽形,用标量理论和有限元分析等方法对光栅衍射效率进行了计算。结合仪器信噪比,给出了满足成像光谱仪不同需求时所适用的光栅。     

偶数束亚波长Dammann光栅结构的矢量衍射优化设计

传统的基于标量衍射理论方法设计的Dammann光栅衍射效率较低。基于严格耦合波理论和遗传算法,介绍了亚波长结构偶数分束数Dammann光栅的设计方法。利用优化程序设计了多个光栅结构并对设计结果进行了分析,讨论了关键参数的选取及设计参数和光波偏振态的变化对分束效率和均匀性的影响。仿真结果表明所设计的偶数束Dammann光栅分束均匀性很好并且分束总效率均达到93%以上,而零级衍射效率均降到了0.64%以下,达到了较好的去零级衍射的效果。     

遗传算法在光栅面形优化设计中的应用

衍射效率高、偏振相关损耗低的衍射光栅是集成波分复用／解复用器件的一种核心元件,在光通信中具有很重要的应用价值,而一般面形的光栅很难达到此要求,为此需要在光栅衍射效率计算的基础上,利用遗传算法对光栅面形进行优化。采用二次函数来描述光栅面形,选取一定的原始样本,利用耦合波方法计算光栅的衍射效率;然后采用遗传算法中的各种算子对样本进行变换,计算变换后光栅面形的衍射效率,选择其中接近所确定条件的样本进行保留;再继续下一次变换和选择,直到满足设定的要求。通过优化最后得到衍射效率高、偏辗相关损耗小的光栅面形,这些面形的光栅衍射效率达到90％以上,而相应的偏振相关损耗小于0．1dB,已经达到光通信中的相应要求。在光栅面形设计中采用了遗传算法进行光栅面形优化为有特定要求光栅的制作提供了理论指导,可以节省一定的人力和渤力、     

利用亚微米光栅制作导光棒方法研究

研究了周期为0. 4～0. 7μm结构的光栅的光导特性,用严格耦合波理论分析计算衍射 效率与光栅槽深的关系,提出利用衍射效率与槽深的线性段进行导光棒设计,导光棒表面导光单元由三套出射光主波长分别是红光700nm,绿光546. 1nm,蓝光435. 8nm的亚微米光栅组成,用红、绿、蓝三色LED作为光源,通过光栅空频控制出射光方向、槽深调节衍射效率,达到导光棒出射光源的均匀性。     

飞秒激光啁啾脉冲放大中压缩光栅的等离子体清洗

在飞秒太瓦激光装置中,高效率的压缩光栅是获得高峰值功率飞秒激光输出的最重要光学元件之一。虽然光栅安装在无油的真空室内,但当光栅受到强激光的辐照时,真空中残存的气态有机物会被碳化并沉积在光栅表面,使得光栅受到"污染",衍射效率大大降低。激光辐照累积的热量会导致光栅结构发生变化,甚至会造成光栅的永久损伤。为此发展了用等离子体来清洗光栅表面污染层的方法,实验结果表明该方法非常有效地清洗了光栅表面的污染,提高了衍射效率并避免了光栅的损伤。该方法简单,易于操作,可以安装在压缩光栅真空室上,在不影响真空室里面的光学元件情况下可以实现实时清洗。