亚波长光栅偏振器的研究现状与发展前景

亚波长光栅偏振器具有体积小、结构紧凑、易于集成,偏振性好的特点,是一种性能优良的衍射光学元件,具有广阔的应用前景。本文总结了多种类型的亚波长光栅偏振器,对每种亚波长光栅偏振器的结构和特点进行了分析和概括,并对亚波长光栅偏振器的前景进行了展望。     

亚波长光栅的模态特性与衍射效率及其应用

采用模态理论研究了TE偏振与TM偏振入射光在一维亚波长光栅区域的模式特性,分析了不同传播模态的有效折射率及其差值与入射条件、光栅周期、光栅深度及光栅填充比之间的关系,使用干涉法得到了在考虑光栅凹槽深度的情况下两种模态的光栅衍射效率。应用亚波长光栅的模式特性与光栅衍射效率设计了一种偏振分束器,其特性是在利特罗入射的条件下,单色光波在0级衍射处为TM偏振,在-1级处为TE偏振。     

光通信波段亚波长光栅偏振器的设计与分析

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性。基于矢量衍射理论-耦合波分析法对矩形亚波长光栅的衍射效率进行了理论计算,针对光通信中的1 550nm波长设计了一种基于SOI衬底的亚波长偏振光栅,分析了光栅周期、光栅深度、占空比和光栅结构的变化对其偏振特性的影响。仿真结果表明,当光栅的周期为960nm,槽深为230nm,占空比为24%时,可使TM模式的透射率大于95%,TE模式的透射率小于5%,且矩形的光栅结构相对于三角形和圆形的光栅结构具有更好的偏振性能,可有效用于光开关、光隔离器、激光器、光探测器等半导体光电子器件。     

具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器

针对亚波长光栅偏振分束器无法实现垂直出射光 、集成耦合效率低的问题,本文设计了 一种具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器,可实现偏振分束且能获得垂直出射光。器 件上 层采用光栅衍射理论设计了可实现偏振分束的周期亚波长光栅,下层通过严格耦合波法与波 前相 位控制理论设计了具有光束偏转功能的非周期亚波长光栅。基于有限元软件COMSOL对设计 的器 件进行仿真分析,结果表明该器件可分开TE与TM混合偏振光且能实现光束垂直出射,两种 偏振 光的总透射率在1550nm处超过了76.5%,偏振 消光比为14.0 dB。因此通过该偏振分束器不但可 以获得垂直出射的单偏振光,而且能有效提高垂直耦合型器件的工作效率,有望应用在面向 光纤通信的集成光电器件中。     

一维金属亚波长周期光栅的衍射特性

利用严格耦合波理论(RCWA)计算了一维金属亚波长光栅刚好出现一级衍射透射波时的周期/波长比(临界周期点),并利用最小二乘法拟合出临界周期点随光栅基底折射率的变化关系,即y=1/x。为了验证该规律的正确性,选取不同的金属材料、占空比、金属厚度、光栅周期、入射光偏振态进行计算分析。结果表明,对于一维亚波长金属光栅,一级衍射的出现都满足临界周期点的变化规律,并且与入射光的偏振态及波长无关,从而为设计一维金属亚波长光栅提供了仅存在零级衍射的条件。     

玻璃变晶体的技术:偏振分束深刻蚀石英光栅

通过引入深刻蚀光栅结构,普通的石英玻璃可以表现出类似双折射晶体的偏振分光性能.这种深刻蚀光栅是一种亚波长光栅结构,仅存在两个衍射级次,通过光栅表面刻蚀深度的优化控制,实现不同偏振方向的光出射到不同衍射级次上,实现了偏振分光的功能.     

亚波长位相光栅的反射率特性及其应用

用矢量衍射理论研究了在有限基底上的亚波长位相光栅的反射特性随基底厚度变化的周期性、高透射性、高反射性和偏振分光特性及其可能的应用前景。     

闪耀光栅的衍射特性研究

为了系统研究闪耀光栅的衍射特性,分析光栅结构参量对其衍射效率的影响,采用严格的耦合波分析方法,得到了闪耀光栅的槽顶角、闪耀角等结构参量以及波长与衍射效率的关系。结果表明,随着槽顶角的增大,闪耀角向减少的方向移动,衍射效率则向降低的方向移动;槽顶角一定时,随着光波长的增大,衍射效率降低,同时闪耀角向增大的方向移动;同时分析了闪耀光栅的偏振现象。分析结果可为闪耀光栅的设计提供参考依据。     

增强现实显示的偏振不敏感光栅波导研究

一般的光栅波导式头戴显示器因偏振敏感不能同时使用横电（TE）偏振光和横磁（TM）偏振光进行成像显示。为解决该问题,基于遗传算法与严格耦合波分析法提出了一种偏振不敏感光栅的设计方法。制作了偏振不敏感的光栅波导,进行了光栅波导的衍射效率测量实验。该光栅工作波长为532 nm。耦入光栅对TE偏振光的平均衍射效率从6.1%提高到了21.0%,对TM偏振光的平均衍射效率从13.7%提高到了40.5%,对非偏振光的平均衍射效率从9.9%提高到了30.7%。耦出光栅对TE偏振光的平均衍射效率从3.1%提高到了12.1%,对TM偏振光的平均衍射效率从0.8%提高到了10.7%,对非偏振光的平均衍射效率从1.9%提高到了11.4%。搭建了显示系统样机,测试表明显示效果清晰明亮。实现了30°×22°的大视场角,验证了偏振不敏感光栅波导设计方法和非偏振图像源在增强现实领域的可用性,为波导型增强现实系统的研究与发展提供一定的指导作用。     

微米亚微米矩形光栅衍射特性的实验研究

本文应用微电子制板技术、电子束扫描曝光和离子刻蚀技术研制成功微米、亚微米级宽度的矩形光栅结构，并对其进行了衍射特性的研究。实验测试数据表明了当光栅的周期接近使用的照明光的波长时，具有明显的矢时衍射特性。     

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。     

双掺杂LiNbO3:Fe:Mn晶体局域光折变体全息光栅形成及衍射特性

将带输运模型与二维耦合波理论相结合,研究了双掺杂LiNbO3∶Fe∶Mn晶体中由两束有限宽度平面波干涉产生的局域光折变体全息的动力学机制及其衍射特性。采用三步法联立求解了双中心带输运物质波方程和二维耦合波方程。数值计算结果表明,局域光折变体全息光栅的空间电荷场在空间上呈不均匀分布。当光栅区域较小时空间电荷场较强,随着光栅区域的增大,空间电荷场急剧下降,并降低一个数量级。此外,在接近光束入射边界的区域,空间电荷场时空变化规律与一维无限大光折变体全息光栅的结果相似,随着光栅区域的扩大,边界效应对空间电荷场的影响越显著。研究还发现,局域光折变体全息光栅的衍射效率随光栅厚度的增加而增加。理论结果对于由局域光折变体全息光栅形成的光学器件与系统的设计和应用具有重要的参考意义。     

飞秒激光烧蚀玻璃基质金属薄膜直写衍射光栅

提出了一种新的制备光栅的方法,利用800 nm的飞秒激光扫描蒸镀在石英玻璃衬底表面的金薄膜,通过烧蚀金薄膜在衬底表面形成衍射光栅。用波长为532 nm的激光照射光栅,测量其一级衍射效率,测得的衍射效率最高为6.98%。通过改变激光扫描速度、激光功率、光栅周期等实验参数研究其对制备的光栅的一级衍射效率的影响,结果表明,降低激光扫描速度,减小光栅周期,或增加激光功率都能提高制备光栅的一级衍射效率。     

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.     

体光栅二维耦合波方程解析解的再探讨

针对完全重叠型的体光栅,在布拉格衍射范畴内给出二维耦合波方程的完整推导,并给出方程组的闭形式解析解.该解析解能够解决完全重叠型的均匀光栅的普遍衍射问题.研究了二维有限尺寸体光栅的衍射性质特别是衍射效率与光栅二维尺寸及介质吸收系数之间的关系.对于无吸收的光栅,参考光束相对物光束越宽,衍射效率将越高.当介质的吸收不可忽略时,对于耦合较强的光栅,参考光尺寸的增大反而会引起衍射效率的下降.为了获得最优的衍射效率,应当根据介质的吸收率合理地设计光栅的几何尺寸.     

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。     

正交二元位相光栅的减反射特性

根据二维矢量耦合波衍射理论，分析了正交二元位相光栅的衍射特性，发现在适当选取光栅参数时，其反射率可以减小到几乎为零，并且这种减反射特性与入射光的偏振态无关。     

利用严格耦合波方法研究多层介质膜光栅掩膜特性

从理论和实验上研究了多层介质膜光栅掩膜特性，用严格耦合波（RCW）法对由光栅掩膜槽形和多层膜介质基底引起的衍射效率的变化进行了理论分析，计算得出不同形貌下的光栅掩膜的反射0级光谱衍射效率分布。在实验检测方法上，采用了0级反射光衍射效率分布来进行槽形判断，并将实验结果和理论计算进行了对比。结果证明使用该方法研究光栅掩膜形貌在一定程度上是有效的。     

结构参量对脉冲高斯光束布拉格衍射特性的影响

利用二维耦合波理论,研究了体光栅对时间和空间都为高斯型分布的脉冲激光光束的衍射性质,得到了衍射和透射光振幅的解析表达式.讨论了体光栅的结构参量对衍射光束的空间和频谱强度分布以及衍射效率的影响.结果表明,体光栅的波长选择带宽和衍射光束带宽随着结构参量的增大而增大,衍射效率随着入射脉冲时间宽度的增大而增大,并趋于定值,结构参量值越小,达到饱和的速度越慢,饱和值越大.     

微扰法在衍射光栅分析中的应用

在微电子结构中常见的二维衍射光栅的分析中,严格耦合波分析法（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法计算耗时,占用内存比较大.本文将微扰法与RCWA相结合的算法应用于二维衍射光栅分析中,以提高其计算效率.求解非矩形光栅问题时,需将光栅做阶梯近似.通过RCWA求解参考层的本征值,其余层的本征值可通过微扰法得到.实验表明,微扰法满足计算精度要求,且计算效率也能得到提高.对于本文中的例子,当光栅的截断阶数选为12时,计算时间可以节省45%.