宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

非线性超构表面:谐波产生与超快调控

超构表面是指由亚波长结构构成的纳米光学天线阵列。在合适的激发条件下,纳米天线可以产生共振,实现近场增强,进而增强非线性光学效应。相较于传统非线性光学晶体,超构表面集成度较高,有利于实现小型化的高效非线性光源。由于光只传播亚波长的距离,针对非线性谐波产生等应用,超构表面具有无需考虑相位匹配的优势。此外,超构表面具有亚波长的空间分辨率,通过对结构单元的设计和排列,可以实现对非线性谐波的相位、偏振和振幅的灵活调控。该综述针对超构表面在光学频率转换、非线性波前调控以及超快全光调控等领域的国内外近期工作进行了总结,并对非线性超构表面在走向实际应用中面临的挑战和进一步的发展方向进行了展望。     

亚波长偏振光栅的研究进展

亚波长偏振光栅(PGs)具有衍射效率高,偏振特性好,易于实现偏振、分束、增透、高反、相位延迟等多种功能的优点,且体积小、重量轻、性能稳定可靠,是一种优良的新型光学元件,有着巨大的应用前景.介绍了亚波长偏振光栅的发展概况与最新研究进展,亚波长偏振光栅的特点及衍射理论,并分别对会属亚波长偏振光栅和介质业波长偏振光栅进行了分析.     

基于全局拓扑优化深度学习模型的超构光栅分束器

将深度学习模型应用于超构光栅分束器的逆向设计,可以在全局范围内获得具有良好均匀性和高衍射效率的结构。利用基于全局拓扑优化的深度学习模型,围绕超构光栅分束器的结构设计和衍射效率及均匀性等光学性能展开了一系列的研究。在波长为900 nm的入射光下,基于全局拓扑优化深度学习模型设计出大角度高衍射效率超构光栅分束器,设计的分束角为120°与150°时衍射效率分别达到95%与85%。     

一维深亚波长光栅的耦合波分析及偏振特性的研究

讨论了一种新的一维深亚波长光栅,其周期结构由等离子体增强化学气相淀积法(PECVD)制备的周期性多层膜构成。简单介绍了这种深亚波长光栅的制作方法。采用严格耦合波分析(RCWA)理论计算了这种一维深亚波长光栅的衍射效率,分析了它的偏振特性。     

亚波长介质光栅-金属Ag薄膜-周期性光子晶体混合结构的Fano共振传感机理

基于表面等离子体极化激元的传输特性和周期性光子晶体的光学特性,提出了一种在亚波长介质光栅-金属Ag薄膜结构中产生离散态,在周期性光子晶体结构中产生连续态的亚波长介质光栅-金属Ag薄膜-周期性光子晶体混合结构。通过对该结构进行理论分析和传输特性研究,阐述了该结构中Fano共振产生的机理,建立了基于角度调制的Fano共振传感结构模型,并定量分析了结构参数对反射光谱曲线的影响。结果表明:当周期性光子晶体周期层数N=4、光栅周期Λ=258 nm和金属Ag薄膜厚度d_0=27 nm时,该结构的品质因数FOM值高达2.11×10~4,角灵敏度S=40 (°)/RIU。该结构为亚波长介质光栅结构中实现Fano共振提供了有效的理论参考,对光学折射率传感结构的设计具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

用纳米印刷技术制备微机械和微流体金属光栅器件

纳米印刷技术是一种制备大面积亚波长光栅的新技术。基于此光栅的滤光器具有光谱的特性。利用波长耦合分析法对光栅进行理论模拟,此模拟允许反射率取最大和最小值：利用微电子机械系统（MEMS）制备微流体和微机械光栅,这些光栅是制备可调滤光器和其他可选择波长器件的基本元件。这些可调器件通过改变光栅表面的折射率实现波长的选择。如果在光栅表面附着一层水膜。光栅共振波长可改变33％;如果在光栅表面覆盖石英。则共振波长从558nm改变到879nm,波长改变率高达58％。此外,大约有3种因素可改变单一波长的折射率。这些光栅器件在可调滤光器或光调节器方面有着重要的应用价值。     

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。     

Design of High-Channel-Count Multichannel Fiber Bragg Gratings Based on a Largely Chirped Structure

We propose a novel technique to design a high-channel-count, multichannel fiber Bragg grating (FBG) based on a largely chirped structure. The minimization of refractive-index modulation has been widely discussed in the previously demonstrated multichannel grating designs. The complexity of the grating structure, however, is also important from the point of view of practical fabrication. In this paper, the degree of grating complexity (DGC) is defined. We show that the DGC of a multichannel grating can be significantly reduced by designing a grating with a largely chirped structure. A detailed grating design process based on this technique is discussed, by which four multichannel gratings are designed and numerically studied, for applications such as periodic and nonperiodic spectral filtering, chromatic dispersion compensation and dispersion slope compensation. The proposed theory and examples show that different gratings with high-channel-count and multichannel responses can be designed and fabricated using a single commercially available phase mask, and all the gratings can be realized by a conventional FBG fabrication facility since the gratings have a low DGC with low index modulation.      

光纤光栅在高功率连续光纤激光器中的发展及展望

目前光纤光栅在高功率连续光纤激光器中的应用主要有两个方面,一是作为谐振腔腔镜,二是用来抑制激光器的非线性效应。首先论述了光纤光栅作为腔镜技术的发展现状,然后着重论述了能够抑制光纤激光器中非线性效应的特殊光纤光栅的发展状况。并详细描述了倾斜布拉格光纤光栅抑制受激拉曼散射和受激布里渊散射、长周期光纤光栅抑制受激拉曼散射以及相移长周期光纤光栅抑制自相位调制或四波混频等非线性效应引起的光谱展宽的研究进展。最后展望了光纤光栅在高功率光纤激光器领域的发展趋势,认为光纤光栅将朝着更高承载功率与长波长方向发展,同时认为基于飞秒激光刻写的光纤光栅技术、能够同时抑制多种非线性效应的光纤光栅技术、以及基于光纤光栅的光纤激光器激光偏振控制技术等将成为新的研究热点。     

Optical properties of deep lamellar Gratings: A coupled Bloch-mode insight

A coupled-Bloch-mode model for explaining various optical properties of strongly modulated subwavelength lamellar gratings is proposed. The model evidences the key role played by propagative Bloch modes, which bounce inside the grating and couple at the grating interfaces. Many optical properties of these gratings, such as their broadband reflectance, their polarization effect, and the presence of sharp anomalies, are understood as resulting from vertical resonances of the coupled-resonator modes. The approach provides a new insight on the physical mechanisms or optical behaviors observed, which is different from the classical study of the poles and zeros of the scattering operator.     

遗传算法在光栅面形优化设计中的应用

衍射效率高、偏振相关损耗低的衍射光栅是集成波分复用／解复用器件的一种核心元件,在光通信中具有很重要的应用价值,而一般面形的光栅很难达到此要求,为此需要在光栅衍射效率计算的基础上,利用遗传算法对光栅面形进行优化。采用二次函数来描述光栅面形,选取一定的原始样本,利用耦合波方法计算光栅的衍射效率;然后采用遗传算法中的各种算子对样本进行变换,计算变换后光栅面形的衍射效率,选择其中接近所确定条件的样本进行保留;再继续下一次变换和选择,直到满足设定的要求。通过优化最后得到衍射效率高、偏辗相关损耗小的光栅面形,这些面形的光栅衍射效率达到90％以上,而相应的偏振相关损耗小于0．1dB,已经达到光通信中的相应要求。在光栅面形设计中采用了遗传算法进行光栅面形优化为有特定要求光栅的制作提供了理论指导,可以节省一定的人力和渤力、     

垂直腔的光场调控及其应用（特邀）

垂直腔是激光器、探测器、滤波器、传感器等器件的核心结构,垂直腔的光场分布对激光器、滤波器、传感器等的性能具有重要的影响。垂直腔的结构影响垂直腔的光场分布,从而影响基于垂直腔的器件设计、制作以及其性能。近年来,人们围绕垂直腔的构建及其光场调控做了大量的研究,在理论基础以及器件应用等方面取得了显著进展。首先,介绍了传统上/下分布布拉格反射镜垂直腔的色散特性,和其光场调控的方法以及它们在激光器和滤波器等领域的应用;其次,介绍了基于一维和二维高折射率差亚波长光栅基复合腔的色散特性,和它们在新型激光器和单片集成多波长滤波器阵列等领域的应用;最后,对文章进行总结并展望了垂直腔的新应用。     

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。     

使用亚波长光栅器件产生圆柱型矢量光束

基于严格矢量衍射理论,分析了亚波长光栅将圆偏光转化为线偏光的机理。根据分析的结果提出了一种利用光栅空间分布控制出射光偏振态分布的方法,并使用该方法规设计了一类光栅区域呈多带环形分布的偏振器件。通过改变该型器件的环形光栅区域数量,可以得到不同的偏振光束。通过对出射光束使用Richards-Wolf矢量衍射法进行数值分析,得到了在大数值孔径条件下,聚焦光束在焦点附近的归一化光强分布。其中大多数出射光束的焦点光强分布为平顶光斑,光斑的最大径向半高全宽达到了1.541 。与同数值孔径下线偏光、径向偏振光及角向偏振光的聚焦光强分布具有明显区别。     

Scattering from stacked gratings and dielectrics for various anglesof wave incidence

The theory of scattering matrices and microwave network analysis is used to solve the problem of scattering from cascaded infinite periodic gratings. The total reflection and transmission coefficients are calculated as functions of angle of incidence, wire spacing for each grating separation, wire thickness, and number of gratings that comprise the cascaded structure. The problem of stacking dielectric slabs with periodic gratings is also formulated and solved. In all cases, the secant corrector spectral iteration approach is used as a numerical method for calculating the desired currents and fields. Finally, the calculated values of the reflection and transmission coefficients are presented and compared with reported experimental and theoretical data     

线性chirp光纤光栅色散补偿器的理论与计算

从物理上解释了线性ｃｈｉｒｐ光纤光栅色散补偿器的工作原理，根据耦合理论，导出光纤光栅的基本方程，利用这一方程，计算了线性ｃｈｉｒｐ光纤光栅的响应特性。     

二维亚波长抗反射光栅的制作及其特性分析

运用等效介质理论研究了占空比随深度变化的二维亚波长光栅的抗反射原理。对全息干涉法制得的正弦型光栅进行了详细分析,表明这类光栅形成了渐变折射率的抗反膜结构。设计并利用两柬相干光对称入射到记录介质（光刻胶）分两次曝光的全息方法制备了适用于可见波段的周期为310nm的二维正交正弦型光栅。测试结果表明这种光栅在整个可见光波段具有增透作用,有潜力作为传统抗反膜的替代品。将具有浮雕结构的记录介质为母版并采用模压或浇铸等方法,可将结构复制到其它材料上。这类抗反射材料具有制作简单、成本低、可大批量生产等优点。