衍射微柱透镜聚集特性的严格电磁分析

利用时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式,分析了有限口径衍射微柱透镜衍射效率与透镜F数的关系.严格分析比较了在不同入射极化波(TE极化和TM极化)情况下,具有不同面型分布(连续面型和8台阶、2台阶量化面型)的微柱透镜衍射效率随透镜F数的变化,并且与传统标量理论进行了比较.结果表明,随着F数的减小,标量理论和严格矢量理论得到的透镜衍射效率之差逐渐加大;在大F数情况,TM极化波入射时微柱透镜的衍射效率要略高于TE极化波入射的情况.     

衍射微柱透镜聚焦特性的严格电磁分析

利用时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式，分析了有限口径衍射微柱透镜衍射效率与透镜F数的关系。严格分析比较了在不同入射极化波(TE极化和TM极化)情况下，具有不同面型分布(连续面型和8台阶、2台阶量化面型)的微柱透镜衍射效率随透镜F数的变化，并且与传统标量理论进行了比较。结果表明，随着F数的减小，标量理论和严格矢量理论得到的透镜衍射效率之差逐渐加大；在大F数情况，TM极化波入射时微柱透镜的衍射效率要略高于TE极化波入射的情况。     

衍射微柱透镜轴向光强分布特性的严格电磁分析

衍射聚焦器件轴向光强分布的焦深和焦移特性，直接决定着系统接收面的装配误差和获得最佳的能量利用率。当器件的口径和面型特征尺寸可与照射波长比拟时，必须考虑光波与衍射器件的电磁作用。利用严格电磁分析方法——时域有限差分法，对有限口径衍射微柱透镜的轴向光强分布进行了严格分析，并且与传统的标量分析方法进行详细比较。分析比较了TE和TM极化波入射情况下，不同面型分布(8台阶，16台阶量化面型和连续面型)的衍射微柱透镜焦深和焦移特性与透镜F数的关系。结果表明透镜轴向光强最大点向透镜面偏移，焦移量的严格计算结果要大于标量计算结果，表明透镜的快聚焦特性，而二者得到的焦深量基本一致，同时两种理论方法都表明透镜焦深和焦移随F数的增加而增加。     

衍射微柱透镜焦深和焦移特性的矢量分析

当衍射光学元件的特征尺寸可以与照射光波长比拟时,必须考虑光波矢量衍射特性。利用矢量分析方法——二维时域有限差分法(FDTD)对有限口径衍射微柱透镜的焦深和焦移特性进行严格矢量分析,与传统标量分析方法的结果进行了详细比较。分析给出TE波垂直入射情况下衍射微柱透镜焦深和焦移与透镜F数的关系,结果表明,微柱透镜的焦移量要大于标量分析结果,而二者得出的焦深量基本一致,这些结论对衍射微透镜的设计和实际应用有一定指导意义。同时分析了透镜面型量化对焦深和焦移的影响,讨论了矢量分析方法的数值色散、计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察面的传播算法。     

有限口径衍射微光学元件的严格矢量分析

利用二维时域有限差分方法（FDTD）对有限口径衍射微光学元件进行严格矢量分析。讨论了算法的数值色散，计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察的传播算法，它们构成严格分析有限口径衍射微光学元件的有效工具。利用该工具严格分析了衍射微柱透镜衍射效率与面型量化阶次、透镜F数的关系，分析结论对衍射微光学元件的实际应用和设计都有指导意义。     

亚波长结构二元衍射微透镜的设计方法

分析了基于标量衍射理论的位相型衍射微透镜的光学行为,结合等效媒质理论提出了二元衍射微透镜的一种新的亚波长结构近似设计方法。根据标量理论位相量化的概念,分析连续浮雕透镜的相移函数,结合等效媒质理论的等效折射率表达式,可以确定亚波长结构透镜的面型函数。     

二元衍射微透镜的亚波长结构设计方法

本文结合标量衍射理论和等效媒质理论提出了二元衍射微透镜的亚波长设计新方法,根据标量理论位相量化的概念,分析连续浮雕透镜的相移函数,结合等效媒介理论的等效折射率表达方式,可以确定亚波长结构透镜的面型函数。     

大数值孔径介质结构透镜

提出了一种新型大数值孔径介质结构透镜,能量利用率达到了44%。通过数值仿真FDTD计算证明该聚焦器件能实现高的能量利用率和接近衍射极限的聚焦光斑,且聚焦光斑的旁瓣很小。其次,对该透镜的色散性能进行了研究,发现该透镜具有与普通透镜相反的色散特性。故该透镜可以与普通透镜组合消色差。另外,该透镜克服了最小特征尺寸,实现了大数值孔径,针对波长10.6 m设计了相同口径、不同F数的介质结构透镜,最小F数达到了0.25。     

数值研究负折射率超透镜近场亚波长成像

文章采用时域有限差分法研究负折射率平板超透镜的电磁聚焦现象,计算近场成像特性;计算结果给出负折射率平板透镜近场成像的波场分布,双波源的成像分辨率为四分之一波长,达到亚波长分辨效果。计算结果表明,负折射率超透镜近场亚衍射成像只在一定的参数条件下成立。     

一维光子准晶平V透镜

一维光子准晶已在亚波长、亚衍射聚焦及超分辨成像领域不断展现优越性。为丰富及拓展其聚焦特性的应用,本文提出了一种一维光子准晶平V透镜,并研究了材料厚度对其聚焦特性的影响。研究结果表明,该透镜可在第二能带较宽的波长范围内实现亚波长及亚衍射聚焦。本文研究结果将为一维光子准晶平V透镜的设计及应用提供参考。     

Focusing characteristics of curvilinear half-open Fresnel zone plate lenses: plane wave illumination

A diffraction field-focusing equation based on a specific conical-segment linearization procedure is derived for the Fresnel zone plate (FZP) lens of arbitrary curved profile and is applied for contrasting plane, spherical, parabolic and conical zone plate lenses, convex-side illuminated by a paraxial plane wave front. Two sets of 100-GHz curvilinear and plane FZP lenses are studied numerically with regards to their dimensions, axial focusing intensity and footprint, and frequency bandwidth. For the first set , where the curvilinear and plane lenses share a common lens base aperture and have equal focal lengths, the following new finding has resulted: regardless of their different in shape profiles the FZP lenses have equal zone numbers and produce similar axial focusing. The second set also consists of plane, spherical, parabolic and conical lenses. They share a common apex, and have equal in diameter base apertures and focal lengths but different thicknesses. For such disposition and proportions, the FZP lenses possess different zone numbers and focusing parameters (gain, efficiency, footprint and bandwidth). The belief that the curvilinear FZP have superior (or inferior) electromagnetic characteristics, compared to those of the plane FZP lens with equal number of zones is not in general true. Their relative focusing qualities can vary significantly depending on the lens positioning and dimensions.     

Polarization characteristics of Subwavelength aluminum wire grating in near infrared

Rigorous coupled wave analysis (RCWA) was used to investigate the polarization characteristics of subwavelength aluminum wire grating in near infrared. Upon exposure to the atmosphere, a layer of Al2O3 forms rapidly on the aluminum wires, so the effect of metal oxide layers on the polarization properties is modeled and analyzed. It is shown that subwavelength aluminum wire grating with oxide layers forming on the wires still offers excellent polarization properties. As the thickness of the oxide layer increases, the transmission coefficient increases, but the extinction ratio decreases. In addition, a magnesium fluoride (MgF2) layer was proposed to deposit between the aluminum wires and the substrate to enhance transmission coefficient. The theoretical research shows that subwavelength aluminum grid grating has high transmission coefficient and extinction ratio in near infrared, as well as uniform performance with wide variations in the angle of incidence. These features with their small size make it desirable for use in optical communication and allow more compact component designs.     

多层金属-介质镀膜光栅的聚焦特性

结合等离子金属光栅原理和多层膜理论,提出一种金属-介质-金属多层光栅结构以增强透射光的聚焦效应。利用时域有限差分(FDTD)法对该多层结构的聚焦特性进行模拟仿真,得到多层结构的聚焦特性随金属-介质膜层数和凹槽数目的变化特性。结果表明,通过控制金属-介质层层数或者凹槽数目,焦距明显改善,焦距可达9.15μm,最大焦深约为26.38μm,相对于传统金属光栅,聚焦效应得到了明显增强。     

150 nm亚波长铝光栅的近红外偏振特性

采用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作了周期为150 nm的铝光栅,用分光光度计测量了样品的透过率随入射光偏振方向变化的关系以及在可见、近红外波段TE,TM波的透射光谱。利用严格耦合波理论对光栅的上述性能进行了数值模拟和理论分析。考察了斜入射情况下样品的性能及损耗随入射角的变化关系。理论和实验结果表明,光栅的透过率对入射光的偏振态十分敏感:在近红外范围内(1000~2000 nm)对TE波完全反射,对TM波具有90%的透过率,并且在斜入射时因入射角的增大而轻微加强。此外,还比较了不同金属材料光栅的TM波近红外透射特性,探讨了改善其性能的途径。     

Indoor signal focusing by means of Fresnel zone plate lens attached to building wall

A simple inexpensive on-wall Fresnel zone plate (FZP) lens for indoor focusing of microwave signals is studied. It consists of concentric metal rings mounted on the outside of an exterior building wall. In our theoretical and empirical work the on-wall FZP lens is illuminated normally by a plane or spherical wave, of vertical or horizontal polarization, but other, more general incidence situations can be treated by similar means. The scalar quasi-optical focusing theory of the free-space zone plate has been modified and used for design and analysis of one-, two-, and three-ring on-wall FZP lenses. It is found that the presence of the wall does not change the FZP lens focusing efficiency significantly, but it has a strong axial defocusing effect. A 2-GHz FZP lens assembly consisting of three metal rings made out of thin antimosquito mesh has a focusing efficiency of about 15 dB (measured) and 14 dB (calculated), and axial defocusing of about 0.22 m. Some variations of on-wall/on-roof FZP lenses and their feasible applications in the microwave/millimeter-wave communication links are also discussed.     

自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜

超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件,能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等,从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表,凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点,引起了研究学者的极大兴趣。然而,已报道的超构透镜受限于相位分布设计,难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能;且结构一旦确定,其电磁性能就被锁定,在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此,文中从各向异性单元结构的设计和优化入手,协同PB相位和传输相位,设计了两种能够在不同空间取向（横向和纵向）上实现自旋分裂的Ge₂Sb₂Se₄Te₁ (GSST) 相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度,两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能;通过调控相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁从非晶态逐渐转变为结晶态,两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。     

光子扫描隧道显微镜成像原理的数值研究

用二时域有限公司差分(FDTD)方法模拟光子扫描隧道显微镜(PSTM)的基本原理。计算包括玻璃，空气和平面探针三层模式。给出了样品在全内反射照射下总场分和的图像和在样品上方等高扫描的光强分布图。并且给出光子扫描隧道显微镜中的光子隧道效应即在样品上方用一亚波长尺度的微小探针可将隐失波转变为传输波的图片。结果表明FDTD方法是PSTM理论研究中的强有力的工具。