倒梯形双层金属光栅式偏振分束器

为获得高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度容差的光栅结构，提出了一种在近红外波长区域工作的倒梯形双层金属光栅结构的偏振分束器。该结构引入了一层高折射率介质层，并且将光栅区的光刻胶斜切成倒梯形结构，新的设计增大了光栅的透射效率和消光比。使用严格耦合波分析方法，模拟和优化了偏振分束器的结构参数。结果表明，横磁波及横电波在1 290~1 840 nm波长范围内的透射效率和反射效率分别超过97%和95%。透射和反射的最大消光比分别为33 dB和53 dB。在波长为1 550 nm，入射角为-40~40时，光栅的透射和反射消光比都大于22 dB，达到了高性能偏振分束器的要求。相较于双层金属矩形光栅，所提出的倒梯形双层金属结构表现出更高的透射性与反射性，同时具有更好的设计灵活性。     

全息波导显示中输出扩展光栅的衍射效率分布分析

对于全息波导显示系统,为获得连续的输出光瞳而引入的半透半反膜,会在波导中形成阶跃形光强分布,与阶跃形强度分布相匹配的输出光栅衍射效率须为阶跃形分布,这样才能获得均匀的衍射输出强度。为保证衍射角带宽内所有光线均有较佳的输出强度均匀性,提出了一种连续递增的衍射效率分布光栅模型。建立了基于对阶跃形衍射效率分布的分段加权平均和二次曲线拟合的优化计算模型,计算得到了衍射效率分布曲线,并由衍射效率分布曲线计算得到衍射角带宽内不同视场光束的输出光强分布。结果表明,输出光强位置均匀性最小为52.4%,出瞳内角度均匀性达到84.9%。随着分束膜层数的增加,波导阶跃形光强差将会减小,可获得更好的输出强度均匀性。     

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。     

用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化

为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性,提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析,逐像素对超构光栅结构进行仿真,研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿真结果表明,圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效,当光栅周期为500 nm时,与基于TE和TM设计的光栅结构相比,圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了18.5%和2.6%;光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性,设计了一种高度为0.6μm,占空比为0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示,系统衍射效率可以达到40%以上,具有较优的综合性能,对超构光栅设计制备和裸眼3D显示具有一定指导意义。     

达曼光栅的设计与制作方法探讨

研究基于二元光学的达曼光栅理论和设计方法,设计5×5分束达曼光栅。分别采用“减法”和“加法”加工方案制备器件。“减法”工艺方案包括,优化了氧化硅光栅制作中曝光、显影及深刻蚀工艺参数等关键工艺技术;“加法”工艺方案研究了氮化硅薄膜的制备及刻蚀工艺的问题。研究并制备了两种工艺方法的达曼光栅器件。实验结果表明,“减法”工艺方案的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%;“加法”工艺方案的总的衍射效率为59%,不均匀性仅为0.16%;实验结果与理论设计的相符,验证了理论设计与工艺技术的可靠性。     

基于消色差超构光栅的AR显示光波导

增强现实（AR）技术将计算机生成的虚拟信息融入现实世界,可为使用者提供沉浸式的体验,被认为是下一代显示技术,但依旧存在一些问题。针对AR显示系统中色差、色彩均匀性、光场均匀性等问题,设计一种基于消色差超构光栅的光波导解决方案。仿真超构光栅的耦出响应,在单层超构光栅的情况下,实现了三种波长光（473,532,620 nm）相同角度入射和相同角度出射,消除了色差。采用双层超构光栅,在实现消色差的基础上,进一步实现了对不同波长光的强度比例可调和耦出效率可调,改善了色彩均匀度,有望用于扩瞳。所提基于消色差超构光栅的AR显示光波导设计有望为头戴式AR显示设备提供全新设计思路。     

新型5×5分束达曼光栅的设计与制作北大核心

基于理论设计了一种面内旋转对称的新型5×5分束达曼光栅,研究并优化了光栅制作中曝光、显影及深刻蚀等关键工艺参数。采用接触式曝光和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术,在石英基底上制作出达曼光栅结构。实验中通过优化石英基底上接触式曝光时间和显影时间,较好控制了曝光图形失真;进一步通过控制ICP刻蚀工艺参数,获得了刻蚀深度为（750±10）nm的石英衬底,实现了达曼光栅器件的制备。通过衍射光学特性评测得到了理论设计的零级衍射场均匀分布的5×5点阵,总的衍射效率达到53%,不均匀性仅为0.19%。实验证明了理论设计与工艺技术的可靠性,为达曼光栅器件的集成光学系统应用奠定基础。     

亚波长多台阶结构大角度激光分束器设计

分束角度是衍射型激光分束器件重要性能指标之一。目前对大角度衍射分束元件的研究局限于Dammann光栅,Dammann光栅依靠周期内相位突变点对入射光波进行调制,其分束均匀性对突变点精度非常敏感,现有加工技术无法满足设计精度的要求。针对这一问题,提出利用亚波长多台阶结构来实现大角度的激光分束,给出了一个1×16,入射光波长1.55μm,衍射角29°的16台阶亚波长分束光栅设计实例。设计时利用标量理论获得一个多台阶结构作为初值,经严格耦合波理论结合遗传算法进行矢量优化后衍射效率达到89%,均匀性误差为4.53%。结果表明,亚波长多台阶结构能够实现大角度、高衍射效率以及高均匀性的激光分束。     

编码孔径光谱成像仪中凸面闪耀光栅的研制

针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求,提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法,利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理,并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上,采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明,在3~5 μm光谱范围内,最大衍射效率为93.46%,平均衍射效率为84.29%,与理论设计值较为吻合,验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。     

基于二氧化硅薄膜夹层式亚波长金属光栅的宽波段太赫兹偏振分束器

设计出一种结构新颖的宽波段太赫兹偏振分束器,这种偏振分束器由夹层式亚波长金属光栅制成。亚波长金属光栅偏振分束器可以将入射的任意自然光分成两束偏振状态垂直的线偏振光。其中,TE模反射而TM模透射。设计的偏振分束器在3.5~5.5 THz波段可以达到很高的衍射效率与消光比。但是,在光栅的实际制作过程中,加工技术的缺陷引起的误差大大影响了光栅的性能,比如衍射效率,消光比等。因此文中对一些结构参数进行了计算,从计算结果可以看出这种偏振分束器也有很好的工艺容差。当覆盖层厚度D1与底层介质厚度D3的变化范围分别为1~1.2 m和2.8~3 m时,T0TM大于96.9%,R0TE大于98.7%。Tc和Rc分别大于31 dB和33.4 dB。结果显示,设计的偏振分束器在2 THz的带宽10的大角度范围内,衍射效率高于90%,消光比大于20 dB。因此文中设计对于太赫兹调制器件的研究,以及太赫兹通信系统的集成都有很大的参考价值。     

波前分割DOE阵列半导体激光器光束的品字形整形

半导体激光器（LD）输出光束受工作电流、个体差异的影响,发散角、输出光强出现波动。常规衍射光学元件（DOE）的激光光束整形设计只针对特定的输入输出光场,使用宽容度比较小。文中在LD 的整形中利用DOE 阵列化的处理,输入光场被分割成许多小单元,不同强度的光重新在成像平面内预定的区域内叠加,实现对光束的整形。用均匀平面波设计阵列DOE 每个单元,把高斯分布的球面波整形成品字形光强分布,衍射效率为90.53%,均匀性大约为96%;发散角在快、慢轴方向上2~16的范围内变化,均匀性为95.8%以上、衍射效率为90%以上;在离焦量16 m 内,光束质量变化不大。阵列DOE 提高了LD 光束整形系统的稳定性。     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

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。     

基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法研究

针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题,提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理,搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图,通过计算干涉条纹移动量,绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正,实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统,对所提优化方法进行实验验证,并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明:当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时,文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率,相较于随机并行梯度下降法,衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量,提升了主瓣光束衍射效率,克服了随机并行梯度下降法迭代次数多,优化速度慢,易陷入局部最优的缺点。     

High-efficiency broad-area single-quantum-well lasers with narrow single-lobed far-field patterns prepared by molecular beam epitaxy

Broad-area single-quantum-well graded-index waveguide separate-confinement heterostructure lasers were fabricated by molecular beam epitaxy. A high external quantum efficiency of 79% and stable, single-lobed far-field patterns with a beam divergence as narrow as 0.8° (1.9 times diffraction limit) for a 100 ?m-wide laser were obtained under pulsed conditions.     

八木微带天线的设计与研究

对八木微带天线进行了研究。仿真设计一种宽带宽波束圆极化八木微带天线,在中心频率上实现了波束由侧射向端射偏转26°,频率带宽达800MHz,0dB主波束宽度为110°;采用Wilkinson微带功分器产生两路幅度相等相位相差90°信号对天线进行馈电,实现了圆极化。同时研究了在设计天线中参数对于八木微带天线主波束偏转角度的影响,得出了偏转角度随各参数变化的一般规律。     

两路光纤激光器外腔式互注入锁相实验研究

提出了一种获得相干合成激光输出的新方法。利用45°半透半反分束镜和角锥反射器,通过对两路独立振荡光纤激光器(FL)成功实现外腔式能量相互注入锁相输出,在远场观察到清晰稳定的干涉条纹(可见度约0.5),获得了功率约400mW的相干合成激光输出,功率合成效率接近80%。整个互注入锁相系统中的元件均采用高功率器件,因此本方法可以在更高功率条件下运行。     

基于萤火虫算法的衍射光学器件设计

针对采用经典的 Gerchberg-Saxton算法设计的衍射光学器件(DOE)产生的光强分布相对误差较大, 以及采用传统群智能优化算法设计的DOE光能利用率不高的不足,本文提出了利用萤火 虫算法(FA)实现衍射光学器件设计的方法,兼顾了优化效率和 优化结果。以激光匀束器的设计为例,在模拟计算中,利用FA经过5000次迭代,得到的激光匀束器的光能利用率高达92.91%,绝对误差值低至0.60%。     

偶数束亚波长Dammann光栅结构的矢量衍射优化设计

传统的基于标量衍射理论方法设计的Dammann光栅衍射效率较低。基于严格耦合波理论和遗传算法,介绍了亚波长结构偶数分束数Dammann光栅的设计方法。利用优化程序设计了多个光栅结构并对设计结果进行了分析,讨论了关键参数的选取及设计参数和光波偏振态的变化对分束效率和均匀性的影响。仿真结果表明所设计的偶数束Dammann光栅分束均匀性很好并且分束总效率均达到93%以上,而零级衍射效率均降到了0.64%以下,达到了较好的去零级衍射的效果。