衍射微柱透镜聚集特性的严格电磁分析

利用时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式,分析了有限口径衍射微柱透镜衍射效率与透镜F数的关系.严格分析比较了在不同入射极化波(TE极化和TM极化)情况下,具有不同面型分布(连续面型和8台阶、2台阶量化面型)的微柱透镜衍射效率随透镜F数的变化,并且与传统标量理论进行了比较.结果表明,随着F数的减小,标量理论和严格矢量理论得到的透镜衍射效率之差逐渐加大;在大F数情况,TM极化波入射时微柱透镜的衍射效率要略高于TE极化波入射的情况.     

衍射微柱透镜轴向光强分布特性的严格电磁分析

衍射聚焦器件轴向光强分布的焦深和焦移特性，直接决定着系统接收面的装配误差和获得最佳的能量利用率。当器件的口径和面型特征尺寸可与照射波长比拟时，必须考虑光波与衍射器件的电磁作用。利用严格电磁分析方法——时域有限差分法，对有限口径衍射微柱透镜的轴向光强分布进行了严格分析，并且与传统的标量分析方法进行详细比较。分析比较了TE和TM极化波入射情况下，不同面型分布(8台阶，16台阶量化面型和连续面型)的衍射微柱透镜焦深和焦移特性与透镜F数的关系。结果表明透镜轴向光强最大点向透镜面偏移，焦移量的严格计算结果要大于标量计算结果，表明透镜的快聚焦特性，而二者得到的焦深量基本一致，同时两种理论方法都表明透镜焦深和焦移随F数的增加而增加。     

有限口径亚波长衍射光学器件的严格矢量分析

利用二维时域有限差分(FDTD)方法作为严格电磁计算模式,分析、比较了连续面型和经过Farn方法得到的亚波长结构面型的衍射微柱透镜在TE极化波和TM极化波入射情况下的聚焦特性。对不同F数衍射微柱透镜的严格矢量分析表明,亚波长结构器件的聚焦特性对输入光波的极化情况有更强的敏感性。并简要讨论了FDTD方法的数值色散和计算空间吸收边界的设置等问题。     

衍射微柱透镜焦深和焦移特性的矢量分析

当衍射光学元件的特征尺寸可以与照射光波长比拟时,必须考虑光波矢量衍射特性。利用矢量分析方法——二维时域有限差分法(FDTD)对有限口径衍射微柱透镜的焦深和焦移特性进行严格矢量分析,与传统标量分析方法的结果进行了详细比较。分析给出TE波垂直入射情况下衍射微柱透镜焦深和焦移与透镜F数的关系,结果表明,微柱透镜的焦移量要大于标量分析结果,而二者得出的焦深量基本一致,这些结论对衍射微透镜的设计和实际应用有一定指导意义。同时分析了透镜面型量化对焦深和焦移的影响,讨论了矢量分析方法的数值色散、计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察面的传播算法。     

有限口径衍射微光学元件的严格矢量分析

利用二维时域有限差分方法（FDTD）对有限口径衍射微光学元件进行严格矢量分析。讨论了算法的数值色散，计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察的传播算法，它们构成严格分析有限口径衍射微光学元件的有效工具。利用该工具严格分析了衍射微柱透镜衍射效率与面型量化阶次、透镜F数的关系，分析结论对衍射微光学元件的实际应用和设计都有指导意义。     

一种新型有效的侧面抽运耦合技术

抽运耦合技术是获得高功率激光器的关键技术之一.针对国外最新提出的一种利用二元金属衍射光栅进行侧面抽运耦合双包层光纤(DCF)激光器的方法,利用严格的矢量衍射理论,证明了这种二元金属衍射光栅虽然对TM偏振模有近94.4%的衍射效率但是对TE偏振模最大只有35%的衍射效率,因此对入射光存在严重的偏振依赖性.在综合考虑了对不同入射偏振光均具有较高衍射效率以及多层金属衍射光栅的工艺制作难度的前提下,提出了一种新型的三层阶梯状的金属光栅结构,该结构对入射的TE偏振光最大能达到72%的耦合效率,并且对TM偏振也保持较高的耦合效率,而且随着阶梯层数的增加,耦合效率将进一步增大.同时给出了金属衍射光栅的周期与厚度对 1阶和-1阶后向衍射波的衍射效率的影响.     

设计参数变化对衍射微透镜的影响

给出了多台阶衍射微透镜的设计公式,并阐述了旋转体时域有限差分法。通过采用该方法对设计的多台阶衍射微透镜进行分析,说明了设计参数(包括焦距、入射波长、透镜材料折射率)的变化与微透镜衍射效率、爱里斑半径、最大场强变化的关系,对部分结果的定性讨论与数值分析结果一致。     

衍射微透镜的色散特性分析

衍射微透镜具有会聚和色散功能,且体积小、易于集成和阵列化,是实现光谱成像仪和微型光谱仪的一种新型技术。光谱分辨率是评价衍射微透镜分光特性的主要指标,根据标量衍射理论,给出了多台阶位相型菲涅尔透镜的设计公式,并利用球面波的传输理论推导了微透镜主焦距与光谱分辨率之间的函数关系,得出在入射波长和位相台阶数一定的情况下,光谱分辨率与中心焦距之间呈反比;理论推导的结果与已发表的实验结果一致。     

衍射微透镜阵列用于半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列。采用菲涅耳衍射公式,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了成像型微透镜阵列匀化系统,并研究了微透镜口径及相位台阶数对焦斑均匀性的影响。结果表明:当衍射微透镜的口径D=0.27 mm、相位台阶数L=16 时,可获得不均匀性约为5%、系统能量可利用率达97%的均匀焦斑。     

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。     

二元衍射微透镜的亚波长结构设计方法

本文结合标量衍射理论和等效媒质理论提出了二元衍射微透镜的亚波长设计新方法,根据标量理论位相量化的概念,分析连续浮雕透镜的相移函数,结合等效媒介理论的等效折射率表达方式,可以确定亚波长结构透镜的面型函数。     

亚波长结构二元衍射微透镜的设计方法

分析了基于标量衍射理论的位相型衍射微透镜的光学行为,结合等效媒质理论提出了二元衍射微透镜的一种新的亚波长结构近似设计方法。根据标量理论位相量化的概念,分析连续浮雕透镜的相移函数,结合等效媒质理论的等效折射率表达式,可以确定亚波长结构透镜的面型函数。     

利用矢量衍射理论设计二元光学微透镜

对于低f数(f/＃)的二元光学透镜,它的衍射效率低于由标量衍射理论所计算的值.要提高低f数透镜的衍射效率,矢量衍射理论是必不可少的.美国LSA公司的J.Michael Fin-lan和Kevin M.Flood以及Cornell大学Knight实验室的Richard J.Bojko在美国空军Phillips实验室资助下作了如下工作.利用电子束刻蚀和离子刻蚀方法得到f数为1的30×50微透镜阵列.每一透镜中心之间的距离为300μm,是在熔石英上制造的.利用矢量衍射理论和标量衍射理论设计的透镜,在对椭圆高斯光束衍射时,测得的衍射效率分别是80%和60%.     

嵌入式光栅多层结构锥形衍射的严格耦合波理论研究

基于严格耦合波分析理论,将嵌入式光栅多层结构平面衍射的理论模型扩展至锥形衍射的情况,可以模拟具有任意波长、偏振态、方位角和入射角的平面波入射该多层结构后形成的衍射。在此基础上,研究了微机械声光传感器锥形衍射中+1 级光衍射效率的收敛性。仿真表明:TM（Transverse Magnetic）偏振光入射且光栅周期为4 m 时,当谐波数M（2n+1）分别为67、69、71 时,+1级光衍射效率分别为28.86%、28.84%、28.86%,收敛性较好。另外,优化了微机械声光传感器的位移灵敏度,当入射角为22、方位角为10、光栅周期为1 m 时,与周期为4 m 的+1 级衍射光相比,TE、TM 偏振光入射时0、+1 级衍射光的位移灵敏度均提高一倍,可以准确地监测该传感器中声压或驱动电压引起的金属膜的位移。     

离子束刻蚀过程中台阶侧壁倾斜现象研究

从标量衍射理论出发,在傅立叶光学的基础上,建立一个数学模型,分析台阶侧壁倾斜对多阶菲涅耳透镜衍射效率的影响。并通过实验,分析影响台阶侧壁倾斜、表面粗糙度和刻蚀速率的因素,确定离子束刻蚀菲涅耳透镜的最佳工艺参数。     

不同针孔直径下衍射波面的标量和矢量分析

针孔作为点衍射干涉仪中的关键元件,针孔的制作精度将会严重影响干涉仪的检测精度。对于大多数衍射问题,标量衍射理论是一种比较好的近似,但是当衍射孔径较小时,矢量衍射理论更能说明衍射波面的实际情况。针对可见光入射针孔时,分别从标量和矢量衍射理论出发,分析针孔尺寸对衍射波质量的影响,并计算衍射波面的峰谷（PV）值和均方根（RM...     

衍射微透镜阵列用于面阵半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了非成像型微透镜阵列光束匀化系统,并对其进行了实验验证。当衍射微透镜的口径为0.125mm,相对孔径为0.1,相位台阶数为8时,测得焦斑在快轴方向的不均匀性为12.34%,能量利用率为96.6%;慢轴方向的不均匀性为5.42%,能量利用率为95.74%。实验结果与理论模拟的结果吻合,验证了衍射微透镜阵列光束匀化系统模型的可行性。     

相位阶跃变化型太赫兹波带片

对相位阶跃变化型太赫兹波带片衍射效率进行了理论研究。根据标量衍射理论,相位阶跃变化型波带片可以完成对高斯光束太赫兹波的聚焦。相位阶跃变化型波带片的衍射规律与薄透镜聚焦的规律相似。对其在光轴以及焦平面上太赫兹强度分布及衍射效率进行了模拟,通过与相位连续变化型,台阶型波带片的衍射效率进行对比分析,结果表明相位阶跃变化型波带片具有更好的衍射效率和性能。计算了一种相位阶跃变化型太赫兹波带片的加工尺寸,适合微机械加工法,有很好的应用价值。     

亚波长周期结构抗反射介质光栅的衍射特性

用严格耦合波理论(RCWA)计算了当折射率取一系列离散值时的二维亚波长周期结构介质光栅出现一级衍射透射波的周期值,进而利用最小二乘法拟合出临界周期点随折射率的变化规律;利用一维单台阶和多台阶光栅在TE、TM偏振状态以及二维单台阶圆柱状光栅和二维金字塔结构多台阶光栅进行验证,发现它们同样满足临界周期点的变化规律。结果证明,对于任意面形的亚波长周期结构介质光栅的一级衍射效率都有这一规律。     

150 nm亚波长铝光栅的近红外偏振特性

采用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作了周期为150 nm的铝光栅,用分光光度计测量了样品的透过率随入射光偏振方向变化的关系以及在可见、近红外波段TE,TM波的透射光谱。利用严格耦合波理论对光栅的上述性能进行了数值模拟和理论分析。考察了斜入射情况下样品的性能及损耗随入射角的变化关系。理论和实验结果表明,光栅的透过率对入射光的偏振态十分敏感:在近红外范围内(1000~2000 nm)对TE波完全反射,对TM波具有90%的透过率,并且在斜入射时因入射角的增大而轻微加强。此外,还比较了不同金属材料光栅的TM波近红外透射特性,探讨了改善其性能的途径。