用于飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模研制

利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性,当相位掩模是矩形槽形时,占宽比在0.32~0.43之间,槽形深度在0.57~0.67μm之间时,能够保证零级衍射效率抑制在2%以内,同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上,利用全息光刻-离子束刻蚀技术,制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形,槽深是0.665μm,分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明,该相位掩模的零级衍射效率小于2%,±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。     

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.     

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。     

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。     

紫外平面全息正弦光栅与闪耀光栅部分特性的理论研究

基于有限电导率光栅的微分理论,对工作在紫外光区的全息正弦光栅和三角槽形光栅的衍射效率做了数值计算。给出了紫外全息光栅的闪耀特性分布曲线并分析了三角槽形光栅顶角大小对衍射效率的影响。     

13.9 nm Laminar分束光栅的研制

利用全息-离子束刻蚀工艺制作了工作波长为13.9 nm的Laminar分束光栅.光栅的线密度为1 000 lp/mm,槽深13 nm,占宽比0.43,Au膜厚度为40 nm左右;当工作波长为13.9 nm,入射角为81.2°时,其0级与-1级衍射光衍射效率乘积的最大值为8.1%,同时0级与-1级衍射效率亦接近,约为27%和30%.实验结果表明,研制的Laminar光栅可用于13.9 nm激光的分束,能够获得＞7%的分束效率.     

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。     

基于FBG的波长可调谐环形掺铒光纤激光器

在介绍光纤光栅波长调谐原理的基础上,设计了一种环形腔掺铒光纤激光器。利用光纤光栅(FBG)作为波长调谐元件,在20~170 ℃的温度范围内,实现了输出激光波长在1 547.7~1 556.5 nm内的连续可调,调谐线性度达99.96%,激光光谱的3 dB带宽均小于0.05 nm,20 dB带宽均小于0.08 nm,边模抑制比大于52 dB,输出功率可达21.2 mW。结果表明:可调谐掺铒光纤激光器具有可用带宽较宽、功率高、线宽窄、与光纤元件天然兼容等优点。     

非规则几何槽形光栅衍射效率自动计算方法

为了快速地自动计算非规则几何槽形光栅的衍射效率,使用MatLab软件模拟各种槽形,自动获取槽形参数,并根据这些槽形参数运用严格耦合波分析方法,计算光栅的衍射效率。结果表明所设计的计算程序能够快速自动分析非规则几何槽形并计算其衍射效率。该方法可用于循环计算槽形逐渐变化过程中的衍射效率。     

宽波段全息-离子束刻蚀光栅的设计及工艺

设计和制作了一种在同一基底上具有多闪耀角的宽波段全息-离子束刻蚀光栅。提出了组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法,优化了3种闪耀角混合的宽波段全息光栅设计参数,并利用反应离子束刻蚀装置对该光刻胶掩模进行刻蚀图形转移,采用分段、分步离子束刻蚀技术开展了获得不同闪耀角的离子束刻蚀实验。最后在同一光栅基底上分区制作了位相相同,并具有9,18,29°3个不同闪耀角,口径为60mm×60mm,使用波段为200~900nm的宽波段全息光栅。衍射效率测试结果显示其在使用波段的最低衍射效率超过30%,最高衍射效率超过50%,实验结果与理论计算结果基本符合。与其它方式制作的宽波段光栅相比,采用宽波段全息-离子束刻蚀光栅不但工艺成熟,易于控制光栅槽形,而且光栅有效面积尺寸较大,便于批量复制。     

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。     

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。     

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.     

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。     

二元光栅衍射特性的矢量理论分析

根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述二元光栅衍射特性的矢量理论分析方法--严格的耦合波方法,给出了TE、TM 两种偏振模式入射下的耦合波方程。应用该方法对二元位相光栅的衍射特性进行了分析,验证了该方法的收敛性及准确性。讨论了光栅周期、光栅深度、入射波入射角度等参数对光栅衍射特性的影响。     

少模光纤倾斜光栅制备及扭转传感研究

设计了一种基于少模光纤倾斜布拉格光栅的反射型扭转传感器,小角度倾斜光栅中的纤芯基模与二阶模在光栅处发生互耦,通过测量该过程形成的反射峰强度变化实现扭转测量。分析了光栅倾斜角度对模式耦合效率的影响,采用相位掩模板法在线刻写光栅技术,在少模光纤上刻写了不同的小角度倾斜光栅;在此基础上选择倾斜角度为1°的光栅进行了单点、双点扭转传感实验,实验表明其反射光谱中基模与二阶模的互耦合峰(LP₀₁-LP₁₁)对光纤扭转敏感,可以实现对扭转角度大小的测量。在-50°～-150°逆时针扭转过程中,扭转灵敏度为0.52 dB/(rad·m^-1),而在40°～190°顺时针扭转的角度范围内,扭转灵敏度为0.34 dB/(rad·m^-1)。这种传感器具有在单根光纤上实现多点扭转传感的潜力,在多点扭转监测方面具有应用前景。     

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。     

制备光致抗蚀剂光栅掩膜的衍射控制技术

通过显影过程对光致抗蚀剂光栅负一级衍射效率的观测,实现了分布反馈(DFB)光栅掩膜槽深和形状的最佳控制。该技术适用于各种集成光学波导光栅的制备。