基于周期性光栅结构的表面等离激元探测

表面等离激元具有突破光学衍射极限、局域场增强等特点,有望代替电子和光子作为信号载体,综合光学系统的高带宽特性与电子系统的紧凑性,构建新一代高速、高集成化的光电集成电路。为了有效探测表面等离激元,基于时域有限差分法提出一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构模型,其中包括耦合光栅、条形波导以及探测光栅。首先简要阐述了探测结构的工作原理,并建立了工作在670,1310和1550 nm波段的仿真模型;同时研究等离激元耦合效率随入射光偏振角度的变化以及等离激元吸收率与波导长度的关系;最后实验制备了相应的表面等离激元探测结构。结果表明:表面等离激元的耦合效率与偏振角度成余弦平方关系;在670 nm波段,吸收率在波导长度为5μm的条件下为4.3%,衰减长度为17.1μm,与表面等离激元传播长度的理论值17.5μm基本吻合;实验测得的光电流随偏振角度的变化趋势与仿真的吸收率变化趋势一致,证实了上述模型能够实现对表面等离激元的有效探测。所提出的表面等离激元探测结构模型为将来高速、集成化的新型光电集成电路提供了理论和实验基础。     

应用于微型成像的氮化镓超透镜设计

为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦,设计了以氮化镓(GaN)纳米柱为基本晶胞的超透镜,该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效,可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成,分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理,并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460nm入射时透射场的高效率聚焦,对比超透镜尺寸为3.75μm×3.75μm、6.75μm×6.75μm、8.75μm×8.75μm、10.75μm×10.75μm时超透镜的聚焦能力,得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1,0.8,0.5,0.3μm,给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果,发现实际焦距与设计值存在偏差,且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦,有效降低了传统成像系统的复杂度。     

光栅耦合的可集成表面等离子体激射装置

为了能够更有效地调节和产生表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的激射,设计了一种光栅耦合的可集成SPPs激射装置,利用电子束激发和光栅耦合方式实现了SPPs在无源金属层中的传播和激射.分析了该装置SPPs传播的波矢特性,通过某一条件下激射条件和光照波长的分析得出了结构的一般特性.结果表明:基于光栅耦合结构的装置产生的SPPs激射具有显著的强局域特性,通过控制注入电子束强度可有效调节SPPs的激射,该装置可在光照波长710 nm左右的可见光范围实现有效的SPPs传播.该装置的研制对于构建等离子体单元电路,探测纳米线结构和纳米级飞秒光学场极有意义.     

基于槽缝结构的太赫兹波超聚焦增强透射结构设计

提出了一种在太赫兹频段可以用来实现超聚焦效应和具有高透射率能力的奇异表面等离子体棱镜结构。这种奇异的棱镜结构是由三个亚波长孔和在金属板两端雕刻有有限个周期性排列的浅槽组成。通过利用表面等离子体激元(SPPs)和超常光学透射(EOT)现象的相关理论,证明了所设计的棱镜结构可以产生一个半高宽(FWHM)约为1/4λ的聚焦点,其透射率是传统的表面等离子体棱镜结构的4.6倍。所设计结构可应用于超分辨成像、光刻、功能性探测等方面。     

氧化硅亚微米纳米线光波导的制备

介绍一种新的氧化硅亚微米纳米线光波导的制备方法。使用这种方法制备出的光波导具有良好的直径均匀性和表面粗糙度,满足低损耗传输的要求。纳米级的尺寸以及独特的光学特性,使得亚微米纳米线光波导在亚波长结构的微电子、光电子及光子器件中具有较好的应用前景。     

用于光束整形的表面等离子体双光栅结构

为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形,使之合并成为单瓣出光远场,在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO₂光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射,然后通过Au-Si₃N₄光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射,最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明：当Au-SiO₂光栅厚度为50 nm,填充因子为0.5,光栅周期为350 nm;Au-Si₃N₄光栅厚度为70 nm,填充因子为0.5,光栅周期为660 nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑,比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍;其远场透射光功率达到了模式光源的62%,是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍;同时腔面反射率也降低到12.4%,是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示,提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。     

单向纳米天线高效激发条状表面等离子体波导

提出了一种结构简单并且利用非对称纳米天线激发条状表面等离子体波导模式的微结构。通过纳米天线的非对称性产生的单向激发效应来实现条状表面等离子体波导模式的高效激发,利用数值模拟软件COMSOL对该结构进行了数值模拟仿真。模拟结果显示,所设计的结构可以高效地将入射远场光转化为条状表面等离子体波导模式,并且激发效率可以达到13.35%。     

基于梯度折射率光子晶体可调谐亚波长聚焦特性的研究

本文对梯度折射率光子晶体的亚波长聚焦特性进行了研究。该光子晶体是由硅和圆形空气孔构成的平行平板,通过改变空气孔的结构来实现折射率的梯度渐变。采用时域有限差分（finite-different time-domain,FDTD）算法对光子晶体的聚焦过程进行仿真分析。研究发现,适当地修正光程差可以大大地提高聚焦效果,同时焦距和中心空气孔的结构对聚焦效果也有影响。综合以上3种要素,最终设计出的梯度折射率光子晶体平板可实现较好的亚波长聚焦效果,其中在光子晶体外部1.45λ处的光斑最佳,半宽值可达到0.344 7λ。为了提升应用性能,设计了一个动态的调焦系统。在该光子晶体中加入半导体制冷片来调节温度,通过改变温度可以实现1.137 4λ～2.626 4λ的焦点调谐,同时焦斑半宽均小于0.4λ。     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。     

高Q值表面等离子体传感器研究

设计了高Q值表面等离子体传感器,传感器芯片的基底为200μm厚的石英材料,上层为复合结构金属层。为保证高效传输,它的等离子体波导由共面波导结构(coplanar waveguide,CPW)过渡引出,经由表面等离子体传输线传输至谐振环,从而共振模式可以由等离子体波导和谐振环的相互耦合共振产生。通过仿真,对不同模式下的电场分布图对应谐振环的闭合状态进行研究,在传输系数S21图上得到6个明显的谐振谷,其中有3个谷的Q值十分高,这6个谐振谷的Q值范围为44.6~268.3。     

Scanning MeV-ion microprobe for light and heavy ions

The University of Oregon scanning ion microprobe uses a 65 cm focal length plasma lens to form 8.65 × demagnified image of an object aperture. The plasma lens focuses a positive ion beam using the self-electric field of a trapped cylindrical column of electrons of density 3−9 × 10⁹cm⁻³ and length 13–18 cm. Since the focusing field is electric, the focal length depends only on ion accelerating voltage and not on ion mass or charge state. Our 5 MV Van de Graaff accelerator illuminates the object aperture with a current density of ∼ 0.5 pA/mu;m². The lens aperture is defined by a set of slits 3.35 m beyond the object aperture slits and 2.79 m from the lens. Four pairs of deflection plates are located between the intermediate aperture and the lens. Two pairs of plates are used for each scanning direction so the beam always passes through the lens center during rastering. The 1 kV operational amplifiers that drive these plates combine three sets of signals. Computer generated voltages raster the beam. Individual dc offset voltages align the beam with the lens axis. A small 60 Hz signal cancels the effects of background 60 Hz magnetic fields along the beam line. With 1 kV rastering voltage the rastered field at the focal plane is 3 mm square for 3 MeV ions. Focal spot size is now 10 μm with a 2 mm diameter lens aperture and 5 μm with a 0.5 mm lens aperture.     

电控可变焦128×128元自适应液晶微透镜阵列

借鉴已有的单圆孔电极液晶透镜的结构与设计方法,发展得到了新型的电控可变焦128×128元的液晶微透镜阵列。该面阵液晶微透镜使用ITO玻璃作为上下基板,其中上基板电极是将ITO膜通过光刻技术和盐酸腐蚀方法得到了128×128元圆孔阵列图案;而下电极基板就是ITO膜。上基板电极的圆孔阵列整齐的排列,每个圆孔的直径为50μm,圆孔之间的间隔为100μm。夹在上下基板之间的液晶层的厚度为20μm。该面阵液晶微透镜的特性为：在0.2VRMS～5.0 VRMS电压范围下,该面阵液晶微透镜的焦距范围为50μm～400μm。进一步的测试实验结果表明,该面阵液晶微透镜的点扩展函数近似于理论数值,并且该面阵液晶微透镜的工作电压与焦距是成反比例关系,以及该面阵液晶微透镜具有与传统制作的面阵微透镜一样的多重像成像效果。     

新型光子纳米射流器件的设计

光子纳米射流是一种高强度,极窄的亚波长电磁场区域,它是由介电微球或微柱体的Mie散射对电磁场的聚焦作用产生的。光子纳米射流广泛应用于激光加工、纳米光刻、光学高密度存储以及超分辨率显微镜。从径向偏振光的角度出发,使用一种介电圆环结构对光束进行聚焦,由于径向偏振光在焦点区域可以产生较强的纵向场,通过优化圆环的尺寸、折射率以及与物镜焦点的相对位置,可以得到超过90%光束质量的纵向光子纳米射流,而且强度相比于未使用圆环时可以提高约一个数量级,并在高折射率下可以获得半高全宽小于衍射极限尺寸的光斑,因此该结构预计可以在粒子加速、光镊以及拉曼光谱学中有所应用。     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

利用棱镜结构高效率地耦合出表面等离子波

表面等离子波是指在金属和介质表面传播的电磁波,在垂直界面方向上呈指数衰减,提出了一种棱镜结构用以耦合出由K retschm ann结构产生的表面等离子波,使反射、吸收能量转化为透射光。棱镜结构在数值模拟中可以被简化为多层介质结构,利用传输矩阵方法模拟了高斯光束入射到这种结构中的传播情况,形象地得到了产生表面等离子体共振和表面等离子波耦合的结果。模拟结果显示提出的棱镜结构达到了接近70%的耦合效率,可以应用于偏振分光器件;并且利用这种结构还可观察到高斯光束分裂现象。     

新型可控焦距液体透镜阵列

为了提高成像品质,提出了一种新型液体透镜阵列镜头。先将油滴沉入弹性体底部形成具有可控焦距的单个液体平凸透镜,再通过唯一平台实验液体透镜阵列,制作液体透镜阵列。通过控制滴入硅胶基底的硅油液体体积大小,控制单个微透镜的折射面曲率和透镜焦距。通过位移平台,控制阵列中微透镜的排布和个数。透镜阵列制作方法简单且成本低,透镜抗挤压能力强,焦距可控,阵列规整,在制造过程中,可以控制镜头光圈和初始焦距,因此是一种实用性较高的透镜阵列。     

中波红外两档变焦光学系统

报道了一种用于320×240制冷型探测器的中波红外两档变焦光学系统。该系统采用二次成像、前组透镜轴向移动变焦的光学结构形式。根据探测器类型和实际的使用要求给出了系统的光学参数,并利用光学设计软件对系统的像质进行了的分析。结果表明,该系统可以实现焦距为180/60两档变焦,工作波段为3～5μm,F数为1.96,满足100％冷光阑效率,截止频率16lp/mm处的MTF值大于0.6,结构简单,使用方便,像质好。     

1 000万像素全景监控镜头的光学设计

为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119mm×4.589mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。