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。     

面向可见光波段的非周期悬空GaN薄膜光栅

基于严格耦合波理论,提出了一种在可见光波段能调控入射光相位的非周期悬空氮化镓(GaN)薄膜光栅。首先,采用有限差分时域(FDTD)方法,通过改变光栅的周期、占空比等参数仿真计算非周期悬空GaN薄膜光栅的光响应。然后,采用双面加工工艺和氮化物背后减薄技术在硅基GaN晶圆上制备非周期悬空GaN薄膜光栅,控制入射光束的相移。最后,通过角分辨微反射谱实验和光致发光测量实验表征了该薄膜光栅的光学性能。角分辨微反射谱实验结果显示非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能与FDTD的理论分析一致;光致发光测量实验显示其光致发光(PL)强度比硅衬底GaN光栅大大增强,峰值从364.3nm转移到378.7nm。另外,在可见光波段内,该悬空非周期GaN光栅有较大的入射角容忍度,为-25°~25°。得到的结果表明,研制的悬空非周期GaN光栅有助于提高光提取效率。     

彩色钙钛矿太阳能电池的Fano微纳砷化铝光栅模拟设计

针对彩色钙钛矿太阳能电池的美学特征,对该太阳能电池的纳米级色彩调节进行了研究.利用Fano共振原理以及在钙钛矿太阳能电池中采用Fano微纳砷化铝光栅结构,模拟出了不同色彩的钙钛矿太阳能电池.模拟结果表明,调节Fano微纳砷化铝光栅结构的周期和槽深,可控制钙钛矿太阳能电池的反射峰位置和峰宽,并且峰位的控制精度达到了1 n...     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。     

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1130 n...     

基于双LPFG及嵌入式技术的双边缘滤波解调系统

设计并实现了一种基于双LPFG(长周期光纤光栅)及嵌入式技术的双边缘滤波光纤光栅传感解调系统.以双长周期光纤光栅作为线性滤波装置,利用反射FBG信号通过不同光谱特性的滤波器时输出不同光强的比值的对数算法对波长进行测算;系统采用C8051系列单片机作为处理核心,并逐一介绍了线性双边缘滤波原理、三MCU硬件设计架构、面向对象程序设计思想的软件设计架构和系统时序设计.试验表明系统能够实现稳定的FBG传感信号解调,解调系统所得线性拟合计算值与光谱仪所测波长值的均方差为10 pm,动态范围达4 nm,表明系统线性度好,精度较高,对于工程现场的波长校准与调试方面的应用具有很大意义.     

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.     

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。     

宽波段金属光栅设计中闪耀波长对光栅异常的补偿效应

给出适用性强、工艺上易于实现的单闪耀面宽波段金属光栅设计新方法。基于Rayleigh异常和共振异常两种不同的光栅异常机理,分别讨论了它们出现的条件,在光栅电磁场理论的基础上,数值分析了TE波、TM波闪耀波长的分布规律,发现了闪耀波长与光栅异常、光栅光谱范围的关系,提出了用TM波第一闪耀波长补偿Rayleigh异常或共振异常实现制作宽波段金属光栅的设计思想。同时,指出了TM波第一闪耀波长对Rayleigh异常的补偿效应,只是它对共振异常的补偿效应的极限情况。给出了将补偿效应应用于紫外可见分光光度计、近红外分光光度计和红外分光光度计用不同刻线密度宽波段金属光栅的设计实例。补偿效应法无论在理论设计上还是在工艺实现上都要优于传统的宽波段金属光栅设计方法,它可以使得用于各个波段上的宽波段金属光栅衍射效率都在40%以上。     

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。     

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。     

热压增大光刻胶光栅占宽比的方法及其应用

全息光刻-单晶硅各向异性湿法刻蚀是制作大高宽比硅光栅的一种重要方法,而如何增大光刻胶光栅的占宽比,以提高制作工艺宽容度和光栅质量是急需解决的问题。本文提出了一种热压增大光刻胶光栅占宽比的方法,该方法通过加热加压直接将光刻胶光栅线条展宽。论文详细阐述了其工艺过程,探究了占宽比增加值随施压载荷、温度的变化规律,讨论了施压垫片对光刻胶光栅质量的影响。应用此方法制作了周期为500 nm的硅光栅,光栅线条的高宽比达到了12.6,氮化硅光栅掩模的占宽比高达0.72。热压增大光刻胶光栅占宽比的方法工艺简单、可靠,无需昂贵设备、成本低,能够有效增大占宽比,且获得的光栅掩模质量高、均匀性好,满足制作高质量大高宽比硅光栅的要求。     

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。     

利用超短FBG光谱线性区的传感解调系统

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统,通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率,实现了栅区长度小于0.5mm,反射率大于40%,3dB带宽大于5nm,反射谱边缘有效线性区域大于2nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件,利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅,随着超短光纤光栅光谱的漂移,反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域,返回光功率与光谱漂移量呈线性关系,因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量,结果表明,光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系,线性度分别为0.997和0.999,灵敏度分别为54.59nW/με和230nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量,并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率.当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差.在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重.当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上...     

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm × 1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1 μm的用于X射线显微成像技术的透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模。然后利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1 μm,占空比接近1：1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点     

扭转螺旋型力学微弯长周期光纤光栅的光谱特性

利用两个交替放置的周期性V型刻槽板对均匀扭转后的普通单模光纤径向施力制作螺旋型力学微弯长周期光纤光栅(H-MLPFG)。通过实验研究了周期压力和扭转率对该光栅传输谱特性的影响,以及其偏振相关特性。结果表明,施加在光纤的径向压力可以改变H-MLPFG的耦合强度,但不影响其谐振波长变化,LP_(13)耦合模耦合强度在波长1 549.75nm处为30.1dB。当光纤扭转率由0增大到5.38rad/cm,LP_(11)、LP_(12)和LP_(13)模对应的扭转灵敏度分别为1.59、1.82和2.24nm/(rad·cm~(-1))。光纤扭转率为0.90rad/cm时,LP_(13)包层模具有最大偏振相关损耗,在波长1 550.45nm处偏振相关损耗约为6.86dB,对应的谐振波长分离值为1.4nm。该方法制作的LPFG模式耦合强度和谐振波长具有可调谐和可重构性的优点、且结构简单,在光纤通信和传感领域具有潜在的应用价值。