应用于彩色光波导显示中的液晶偏振体光栅结构设计与制备

本文设计并实现了一种三层结构液晶偏振体光栅,对其衍射特性及其在光波导中的耦合情况进行了研究。理论上,选取横向周期为424 nm,根据特定工作波长450 nm、532 nm、633 nm在满足布拉格衍射条件的情况下计算出了相对应的3个纵向周期以实现其厚度方向的叠加。采用有限元法对该器件进行了模拟仿真,计算出了其光谱特性及角度特性,根据红绿蓝三色光色散关系仿真出了其在波导内耦合的入射角与衍射角之间的关系曲线。实验上,本文实现了该液晶偏振体光栅器件的制备并对其进行了系统性能表征,给出了一个初步的光波导耦合实验,演示了其耦合效果。结果表明,所制备的三层液晶偏振体光栅器件在450 nm、532 nm、633 nm下衍射效率最高可达80%以上,对应波长下的角带宽分别为12°、8°、6°,其在波导内耦合的视场经模拟可达到27.81°,是一种良好的光波导耦合器件。     

用于全息波导头盔彩色显示的色散矫正设计

衍射光栅是全息波导头盔显示系统中的关键元件,但在彩色显示中,因其特性,红绿蓝三色波长的入射光会衍射不同的角度。在波导中经历数次全反射后,三色光在出射光栅的不同位置处出射从而造成色散。针对彩色全息波导头盔显示系统中的色散问题,结合全息波导系统本身的特点,提出了采用多层波导的方法矫正色散。根据不同波长入射光的衍射角,设计了四层波导,每层采用不同折射率的材料,对各个波长的光路进行矫正,以此来达到矫正色散的目的;最后通过仿真分析验证设计的准确性。结果表明,红绿蓝三色的光线几乎在同一位置处出射,三色图案高度重叠。因此采用所提多层波导设计的方法能够有效解决全息波导头盔显示系统中的色散问题。     

用于平板波导显示的反射型体全息光栅制备

基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究,采用双光束干涉法和相应的后处理工艺,在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅,并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响.实验结果表明,经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理...     

基于光栅侧面耦合的宽光带集光技术

利用光栅侧面耦合技术多为单波长或窄带光耦合,用于光纤激光器泵浦、光波导集成等领域,而用于可见光宽带耦合的研究很少。通过在波导上集成亚波长衍射光栅结构,可以引导太阳光在波导的侧面进行出光汇集,作为一种新型的太阳能集光器结构。利用时域有限差分算法软件(FDTD)对光栅结构进行仿真,以获得最大衍射效率的光栅结构参数,并对不同入射角度下的衍射耦合效率进行了分析。结果显示,在宽波段的光谱范围内,以上光栅结构均达到较好的衍射效率,其中闪耀光栅衍射效率最大,其衍射效率可达48.8%。这种利用亚波长衍射光栅结构的小型集光器有望应用在有关太阳能能量的收集应用中,例如照明、太阳能电池等。     

基于微纳光纤与平面光栅的复合光波导折射率传感器

利用微纳光纤强的倏逝场特性和平面光栅的折射 率周期性分布特性,设计了一种新型 的基于微纳光纤和平面光栅复合光波导折射率传感器,并利用时域有限差分(FDTD)方法,对 复合光波导的光学特性和 折射率传感特性进行了仿真研究。结果表明,本文的复合光波导的透射光谱中心波长对其周 围物质折射率变化非常敏感,灵敏度为346nm/RIU(refractive inde x unit)。     

光纤色散效应对脉冲展宽的影响

为了研究光通信系统中光纤色散特性对通信系统传输性能的影响,基于单模光纤和多模光纤的色散特性,采用数值模拟计算的方法,对脉冲展宽、光纤内部的偏振模色散、色度色散、波导色散和模间色散的物理机制进行了分析,分别得到了折射率n=1.516和n=1.458的标准单模光纤经过10km传输距离后色散导致脉冲展宽的结果,比较了传输波长在850nm和1310nm时多模光纤的色散效应,通过对不同光源LD(Δλ=1nm)和LED(Δλ=70nm)的比较,分析了光谱宽度对脉冲展宽的影响。结果表明,纯石英光纤在系统传输波长为1.27μm处群速度色散等于0;折射率渐变多模光纤工作在常见的850nm以及1310nm通信窗口时,其模内色散表现为负色散;色度色散和模间色散引起的脉冲展宽随光纤的数值孔径、材料折射率和光源光谱线宽的增大而增大。     

基于硅的阵列波导光栅的理论分析

为了研究平面光波导光栅的理论和设计方法,采用波导模场的高斯近似和有效折射率法对波导进行计算,在不考虑平面波导有效折射率的色散效应和近轴近似条件下,分析了阵列波导光栅近似设计理论,经模拟设计与实际设计参数对比,得到了正确的方法,并简化了计算结果.结果表明,这种近似理论为阵列波导光栅的工程设计提供了一种简单实用的计算方法.     

基于多重体全息光栅的光谱器件的研究

提出了一种新型的基于多重体全息存储的光栅光谱仪。在光折变晶体Fe:LiNbO3中的同一位置采用角度与波长混合复用的方法记录多个光栅，它们对相应波长的光具有光谱色散功能；采用布喇格角度与波长补偿的方法，它们还可以通过单一波长的激光器进行记录。给出了该器件的工作原理和参数设计，并在实验上制作了10通道的光谱间隔为10nm的光谱器件，实验结果表明，该光谱器件具有设计灵活、光谱范围宽、光谱分辨率高和衍射效率高等优点。     

基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器

利用阵列波导光栅实现单纤三重波分复用器是一种具有很多优点的方法.ITU G.983标准规定了无源光网络的三个波长为1310,1490和1550nm,由于这三个波长的间距相差很大,光谱范围也大,用普通的AWG设计方法不能达到理想的效果.文中提出了一种基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器的新型设计,利用衍射光栅的频谱周期性,使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次,并将第一波长映射到与第二、三波长形成几乎等间距信道的第四波长,从而减小了对光栅自由光谱范围的要求,同时使对应这三个工作信道的输入/输出波导几乎等间距,解决了传统设计方法导致的衍射级次小、器件尺寸大、制作困难等问题.     

基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器

利用阵列波导光栅实现单纤三重波分复用器是一种具有很多优点的方法.ITU G.983标准规定了无源光网络的三个波长为1310,1490和1550nm,由于这三个波长的间距相差很大,光谱范围也大,用普通的AWG设计方法不能达到理想的效果.文中提出了一种基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器的新型设计,利用衍射光栅的频谱周期性,使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次,并将第一波长映射到与第二、三波长形成几乎等间距信道的第四波长,从而减小了对光栅自由光谱范围的要求,同时使对应这三个工作信道的输入/输出波导几乎等间距,解决了传统设计方法导致的衍射级次小、器件尺寸大、制作困难等问题.     

基于色散调制硒化锌脊形波导产生超连续谱（英文）

研究了基于色散调制硒化锌脊形波导中红外超连续谱的产生,仿真表明通过调整波导中波导芯层和包层之间的折射率差距和结构参数,零色散波长可以转移到更短的波长。用2μm厚的Ge,5As10S85玻璃作为包层可以将光场限制在4和8μm宽的波导中。为了解泵浦波长和结构参数对超连续谱产生的影响,模拟5 cm长波导在不同条件下产生的超连续谱。我们的结果表明,泵浦波长和功率以及波导参数是影响超连续谱展宽的主要原因。研究发现,4μm宽硒化锌波导在4.5μm波长20千瓦峰值功率下可以产生3.0～12.2μm(大于2倍频程)超连续谱,这有利于片上超连续光源应用在生物医学成像、中红外环境和工业传感上。     

光子晶体光纤色散特性的研究

基于标量近似理论,使用有效折射率方法对光子晶体光纤的群速度色散特性进行了详尽研究.由于光子晶体光纤是由单一材料制成,光纤的总色散便由波导色散决定,将群速度色散分为材料色散和波导色散,在分析光纤结构参数与波导色散关系的同时还讨论了剖面色散对总色散的影响.研究表明:调节光子晶体光纤包层空气柱的节距及其有效芯径,可以实现在很宽的波长范围内的单模传输,可以设计零色散光子晶体光纤和在较宽的波长段接近零色散的色散平坦光纤,以及具有较大正常色散的色散补偿光纤,尤其在零色散光纤设计时必须考虑剖面色散的影响.     

波导体全息光栅衍射光谱范围一致性研究

为了减小体全息光栅用于全息波导显示时不同视场角下衍射光谱的偏移,提出选择最佳的光栅矢量倾斜角和像源光轴相对于体全息光栅的倾斜角,可以减小衍射光谱的偏移。为了使全息波导显示系统在给定入射角度范围内具有相同的衍射光谱范围,采用三次曝光记录了一层体全息光栅。仿真结果表明,当像源的光谱范围在524~540nm之间时,该体全息光栅在入射角度范围-3°~3°内的衍射光谱范围相同,提高了给定入射角度范围内衍射光谱范围的一致性,可以应用于全息波导显示系统中。     

展宽器元件失调及带通分析

通过光线追迹法给设计的反射式单光栅展宽器建立了一个数学计算模型。利用这个数学模型计算和分析了元件失调对反射式单光栅展宽器二阶色散量和输出光束发散角的影响,并考虑了反射式单光栅展宽器中衍射光栅和球形凹面镜的尺寸与展宽器带通的关系。发现当平面反射镜 M1 的纵向偏离角为 0. 2°时,展宽器的二阶色散量最大,偏离角大于或小于0 .2°时,展宽器的二阶色散量随之减小;得到了元件失调会增加输出光束发散角的结论;并发现展宽器中衍射光栅和球形凹面镜尺寸的有限大小对带通有限制作用。提出了利用反射镜 M1 纵向的适当偏离增大展宽器二阶色散量的方法,以及增大衍射光栅和反射镜尺寸来提高展宽器带通的方法,从而进一步减少展宽过程中的光谱剪切。     

波长漂移对时域相位光码分多址编解码器性能的影响

光码分多址(OCDMA)系统中,编解码器的性能是影响系统整体性能的关键因素之一,而波长漂移会影响编解码的性能.在分析等效相移超结构光纤光栅(EPS-SSFBG)作为光码分多址相位编解码器的基础上,仿真研究了不同码字、不同码长、不同编码带宽、不同编码效率和不同折射率调制深度的编解码器对波长漂移的容忍度(WDT).仿真结果表明,光源与编解码器之问的波长漂移容忍度较大;若光源脉宽相对较宽,光源的中心波长偏移编解码器的中心波长一定值时,解码输出的自相关峰旁瓣比(P/W)反而提高;不同码字、不同编码效率、不同折射率调制深度都会不同程度地影响波长漂移容忍度.     

基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统的设计与实现

当激光入射到正弦光栅时,会产生0级和±1级衍射谱线,通过测量衍射谱线的分布,可获得入射激光的波长及方位角信息。为了实时探测激光光源的波长和方位角,设计了一种基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统。介绍了系统的工作原理,推导了激光波长和方位角的计算公式,并对系统的探测精度进行了数值模拟研究。分析了光栅常数和柱面镜曲率半径对系统探测能力的影响,并且给出了相关函数。实验结果表明:当光栅常数为1/500mm、柱面镜曲率半径为20mm时,系统可实现对波长为320～1100nm、视场角为±20°范围内激光源的实时探测,波长分辨率可达到10nm,角分辨率可达到1°。     

宽光谱大视场角的高衍射效率多层衍射元件

提出一种新颖的多层衍射元件(MLDOE),由具有不同折射率和色散性质的光学材料构成,第一层和最后一层为高折射率低色散和低折射率高色散光学材料的组合,中间填充层为阿贝数较小的光学塑料。此MLDOE在最大光束全视场角为110°情况下,设计波段内的各个波长的衍射效率高达90%以上,可有效提高折-衍混合光学系统的能量利用率,提高成像质量。     

基于二维分布阵列波导光栅的光波分复用器/解复用器

基于二维分布衍射光栅与平面波导概念,提出了基于二维分布阵列波导光栅的光波分复用器／解复用器。光波分复用器／解复用器利用二维衍射光栅的波长变化下光波的衍射路径由两个方向的色散值矢量合成决定这一特性,同时适当地控制其自由谱范围特性的设计,使其具有二维光波分分布特性,从而可以在输入和／或输出端设计二维输入／输出通道,大大增加波分复用与解复用的通道数的设计能力。对器件的特性与应用进行了讨论。     

基于色散调制硒化锌脊形波导产生超连续谱

研究了基于色散调制硒化锌脊形波导中红外超连续谱的产生,仿真表明通过调整波导中波导芯层和包层之间的折射率差距和结构参数,零色散波长可以转移到更短的波长。用2 μm厚的Ge₅As₁₀S₈₅玻璃作为包层,可以将光场限制在4和8 μm宽的波导中。为了解泵浦波长和结构参数对超连续谱产生的影响,模拟5 cm长波导在不同条件下产生的超连续谱。我们的结果表明,泵浦波长和功率以及波导参数是影响超连续谱展宽的主要原因。研究发现,4 μm宽硒化锌波导在4.5 μm波长20千瓦峰值功率下可以产生3.0～12.2 μm（大于2倍频程）超连续谱,这有利于片上超连续光源应用在生物医学成像、中红外环境和工业传感上。     

基于传输矩阵法的纵向啁啾体光栅衍射特性

为了研究纵向啁啾体光栅的光谱衍射特性,采用传输矩阵方法进行了分析,研究了光栅的厚度、折射率调制系数和啁啾波长范围对纵向啁啾体光栅中心衍射效率的影响。结果表明,随着光栅厚度的增加,中心衍射效率随之增大;随着光栅折射率调制系数的增大,中心衍射效率也随之逐渐增加;而随着啁啾波长范围的增大,纵向啁啾体光栅的中心衍射效率则逐渐减小。此研究结果对大尺寸啁啾体光栅的设计制作有一定的参考价值。