倾斜光纤光栅透射光谱对外界介质折射率的响应规律研究

倾斜光纤光栅因其独特的结构在传感和通信领域应用前景广阔。基于模式耦合理论,仿真研究介质折射率对倾斜光纤光栅透射功率谱的影响及其变化规律。研究结果表明,当介质折射率在1.35至1.4之间变化时,本文设计的倾斜光纤光栅透射功率谱包层谐振峰位置随外界介质折射率的增大而逐渐向长波长方向移动,波长偏移量与外界介质折射率之间呈良好的线性关系,利用这个结论可进行介质折射率的测量。     

光栅参数与小波谱值的关系

推导了光栅参数与小波频谱值之间的数学关系.采用矢量衍射理论和标量衍射理论两种方法分别计算光栅的衍射效率,并分析两者近似相等的条件,导出光栅参数和小波谱值的关系.以墨西哥帽小波为例计算平面透射光栅的狭缝宽度,获得平面透射光栅参数、衍射效率和墨西哥帽小波谱值的关系.     

含负折射率材料光子晶体耦合腔的传输特性

基于三分Cantor分形多层序列结构,设计了一种一维光子晶体耦合腔结构.用传输矩阵法研究了当引入的缺陷介质为负折射率材料时,该晶体耦合腔的传输谱和场局域化特征;在透射谱中得到了一个半高宽仅为0.19 nm的超窄透射窗口,通过曲线拟合得出了缺陷层折射率与超窄透射窗口位置之间的非线性解析关系.新耦合腔结构在光通信超密集波分复用和光学精密测量等领域中有一定的应用价值.     

金属圆孔阵列的非共振增强透射

基于非共振原理的光异常透射现象(EOT)可以实现宽频带透射,对宽频带光收集与激发具有重要意义.为实现宽频透射,本文设计了亚波长金属圆孔阵列,并应用有限元方法研究了该结构的透射特性.结果表明,金属圆孔阵列可实现宽频透射.此外,本文还研究了入射光偏振方向、圆孔半径以及横向周期对金属圆孔阵列透射特性的影响.这些结果对设计非共振宽频透射的金属孔洞结构具有一定的指导意义.     

高衍射效率金属介质膜光栅的设计及性能分析

基于严格耦合波理论,分析了金属介质膜光栅的衍射性能,以-1级衍射效率为评价函数,研究了表面浮雕结构分别为HfO2和Si O2材料的金属介质膜光栅,获得衍射效率优于99%的结构参数。数值计算表明,当顶层光栅结构为HfO2和Si O2的槽深分别为80nm和225 nm时,在1 053 nm处获得接近100%的衍射效率。     

非周期高透射亚波长会聚光栅的研究

亚波长光栅作为一种新颖的光学器件可以实现光束的偏转、功分、会聚、偏振分束等功能.针对空间光的耦合以及微型激光器输出光的束型需求,本文提出了一种具有透射光束会聚效果的一维亚波长光栅,通过对亚波长光栅的结构设计,控制亚波长光栅的波前相位使得亚波长光栅具有高的透射率,以实现透射光束的会聚效果.利用有限元分析法(FEM)对设计的一维非周期亚波长会聚光栅数值进行仿真,结果表明:仿真焦距在10μm处的光束会聚的透射光栅,仿真得到的实际焦距fx为7.715μm,透射率为81.8%.因此,利用有限元法设计的非周期光栅对发散光束具有优异的会聚效果,有望在光通信器件的集成以及空间光耦合领域得到重要应用.     

金属亚波长小孔的光传输特性仿真模型

用三维全矢量有限元时域差分方法计算了亚波长单孔以及二维周期性孔阵列的超透射特性,分析了平面波光源通过金属圆孔点阵后,透射曲线随着点阵周期、孔径、金属薄膜厚度、介质材料和金属材料变化的规律,以及局域表面等离子体和表面等离子体共振对超透射现象的影响.证实了表面等离子共振对透射曲线中透射谷的位置起到决定性作用,而透射峰的位置除了受到介质、金属材料和点阵周期的影响之外,还会随着金属薄膜的厚度的减薄和亚波长圆孔孔径的增大出现红移.用聚焦粒子束刻蚀制备了金/氧化硅演示结构,实测与仿真结果具有较好的一致性.     

透射光栅测量光波波长实验浅析

光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件.广义的衍射光栅可分为透射光栅和反射光栅.近些年来,随着科学技术的进步和工业生产技术的发展,出现了光纤光栅、阵列波导光栅及全息光栅等新型光栅,这类新型光栅的产生同样也推动了科学技术和工业生产的发展.此外,光栅在物理教学和实验室中也具有重要的应用.物理实验教学中可以利用透射光栅测量入射光的光波波长,并利用光的衍射效应得出所用光栅的光学参量等.首先概括了光栅的发展历史和应用,其次以“透射光栅测量光波波长”为着手点,重点介绍了透射光栅在物理实验教学中的应用.通过进行实验操作,计算了光栅的角色散度和分辨本领,对实验数据进行分类对比及归纳总结,进而得出了透射光栅的特性及普遍规律.     

Coherent manipulation of the Goos-H(a)nchen shift in four-level atomic medium

通过外加控制场调控腔中N型四能级介质的吸收-色散关系,从而调控反射光和透射光的古斯-汉欣位移.研究表明,在没有外加弱信号控制场的电磁感应透明状态,反射光和透射光的古斯-汉欣位移完全重合；当加上弱信号控制场时,反射光的古斯-汉欣位移对信号场强度、失谐量的变化比较灵敏,可以通过外加控制场使介质在弱吸收的情况下调控古斯-汉欣位移,实现大的、负向古斯-汉欣位移.     

N型四能级原子介质中古斯-汉欣位移的相干控制

通过外加控制场调控腔中N型四能级介质的吸收-色散关系,从而调控反射光和透射光的古斯-汉欣位移.研究表明,在没有外加弱信号控制场的电磁感应透明状态,反射光和透射光的古斯-汉欣位移完全重合;当加上弱信号控制场时,反射光的古斯-汉欣位移对信号场强度、失谐量的变化比较灵敏,可以通过外加控制场使介质在弱吸收的情况下调控古斯-汉欣位移,实现大的、负向古斯-汉欣位移.     

基于介质光栅导模共振的多频率点的单向通光

单向通光是指只允许光波从一个入射方向上通过,反方向入射时光波全部被截止。单向通光元件即光二极管是实现光计算、光互联等功能中非常重要的一个基本光学元件。本文设计并提出了一种可实现多频率点单向通光的光栅光学单通元件,其原理在于通过波矢匹配条件单方向地激发光栅基底层的波导模式共振,抑制光栅高衍射级的透射,从而获得光学非对称透射,并通过优化光栅结构参数进而获得单向通光的透射效果。时域有限差分方法模拟结果表明:在共振波长处,其正、反向透过率可以分别达到0%到90%,单透效果远远优于非对称金属光栅系统的单透效果。此外,该单透元件还具有结构简单,无吸收,对光波偏振态没有依赖等诸多优点,尤其适用于现代硅基纳米光子线路的集成结构。     

银膜亚波长圆孔阵列仿真模型的改进

基于常规的有限元时域差分法(FDTD)对银膜亚波长圆孔阵列的光透射增强现象的模拟,与实验结果的差异较大,限制了FDTD在圆孔阵列超透射现象上的应用.采用三维全矢量FDTD,改进模拟结构,适当地选取和设置边界参数后,消除了空气-介质界面的影响并大大改善了透射峰峰形,使得FDTD能清晰地反映出相关界面对光传输的作用,有利于对超透射现象进行更详尽的研究,从而指导并应用于光开关元件、滤波器等的设计和开发.对银膜亚波长圆孔阵列仿真模型的改进,有助于对超透射现象的本质研究,使建模简单、运算速度较快的FDTD方法获得更广泛的应用.此外,对周期边界参数的讨论为深入研究斜入射情况下的超透射现象提供了理论支持.     

三明治型多层膜楔形金属狭缝阵列的宽频透射

基于非共振原理的异常光学透射(Extraordinary Optical Transmission,EOT)现象可以实现宽频带透射,对宽频带光子器件的设计具有重要意义.金属狭缝纳米结构由于结构简单、易于集成、耦合效率高,常在纳米结构器件中用于构建光源.但金属亚波长狭缝结构一直存在透射率低的问题.为实现金属狭缝的宽频带高透射率,本文设计了三明治型多层膜楔形金属狭缝阵列,并应用有限元方法研究了该结构的透射特性.结果表明:与单层膜楔形金属狭缝阵列相比,多层膜楔形金属狭缝阵列在透射光谱中可产生多个透射峰,并且在红外波段可实现增强透射和宽频带透射;由于楔形狭缝从入射口到出射口逐渐变细的结构特点,狭缝从入口到出口阻抗逐渐变化,在介质层内及狭缝出口可实现局域电场增强.此外,本文还研究了楔形狭缝入口宽度、介质层厚度、介质层位置、金属薄膜总厚度及狭缝周期等对多层膜楔形金属狭缝阵列透射特性的影响.研究结果将对设计具有宽频带透射的多层膜结构及在纳米光源设计、集成光路研究、光电子电路应用方面有一定的指导意义.     

基于几何相位的亚太赫兹波宽带平面透镜

几何相位,又被称为Pancharatnam-Berry相位,因设计简单、相位延迟可覆盖2π范围且与频率无关等优势在光学超表面中被广泛用于波前操控.几何相位超表面的效率和带宽往往受限于其结构单元实现正交偏振变换的能力.当工作频率偏离设计频率时,结构单元往往不能完全改变入射圆偏振光的手性,导致仅被改变手性的部分光波波前被调控,而其余光波未被调控.为此,本工作提出了一种几何相位超表面透镜,得益于其结构单元的高效率、宽频带的正交偏振变换能力,该透镜可实现亚太赫兹波束的宽带聚焦.其结构单元为一维低折射率介质光栅,可在130–165 GHz的范围内实现正交偏振变换.通过旋转、截断和拼接此光栅构成二维平面透镜,数值仿真表明该透镜在60–160 GHz的宽带范围内,均保持在40%以上的聚焦效率.超表面透镜的带宽远大于其结构单元的偏振变换带宽,这是由光栅不同的截断长度导致的.这款透镜可以采用3D打印进行加工,制作方便,成本低廉,对发展紧凑型亚太赫兹波束操控元件具有重要意义.     

夹层嵌入式金属光栅偏振分束器的设计

为获得高性能的宽带偏振分束器,设计了夹层式金属光栅模型。应用遗传算法对光栅参数进行优化,设计出具有高消光比、宽带宽的偏振分束器。采用严格耦合波理论对其性能进行分析研究。模拟结果表明,该模型在波长范围900nm~1200nm之间,入射角-30°~30°,具有优良的偏振分束效果,衍射效率可达到95%以上。TE波反射效率和TM波透射效率最高分别可达到96.8%和97.5%,结构模型消光比高,TE波的反射消光比和TM波的透射消光比分别可达到37dB和33dB,该光栅结构简单紧凑,制作灵活且性能稳定。     

缺陷光学厚度对对称结构一维光子晶体透射谱的影响

在A层为双正和双负介质情况下,用传输矩阵法理论研究缺陷层的光学厚度对对称结构一维光子晶体（AB）mC（BA）m透射谱的影响,结果发现：在无缺陷情况下,不论A层是双正还是双负介质,禁带中心均出现超窄频带单透射峰,具有传统对称结构光子晶体透射谱的特征;当中间插入光学厚度等于四分之一中心波长的双正缺陷C后,两者的单透射峰一分为二,且双负情况下两透射峰之间的距离较大;当缺陷C的光学厚度为二分之一中心波长时,双正情况下禁带中心出现单透射峰,双负情况下则出现三条透射峰;当缺陷C的光学厚度等于中心波长时,双正情况下出现三条透射峰,而双负情况下则出现五条透射峰。对称结构光子晶体的透射谱随缺陷光学厚度变化的规律,可用以设计可调性超窄带滤波器。     

激光全息照片光栅解析

一、引言一张全息照片,是由两束相干光波(物光波和参考光波)在记录介质中相互干涉而形成的。记录的是光波的干涉图样(或条纹)。这样的一张全息照片,就是一种衍射光栅。我们称它为“全息照片光栅”。以区别于一般特制的专用“全息光栅”。这两列相干光波,在记录介质中相迂时的夹角大小以及光波的性质(平面波或球面波)决定了全息底片光栅的性质,因而也决定了各种类型全息图的特征。一张全息照片既可是透射衍射光栅,也可是反射衍射光栅,或者既有透射衍射光栅,又有反射衍射光栅的复杂条纹     

聚合物分散液晶全息光栅红外波段电光调制的特性

研究了聚合物分散液晶全息光栅在1 550 nm红外通信波段的电光调制特性，定性分析了不同驱动电压和不同频率的调制电场在红外波段上对聚合物弥散液晶全息光栅衍射效率和透射效率的影响.通过电介质理论，解释了交变调制电场的频率会改变聚合物弥散液晶全息光栅的介电常数，从而对电光调制的效果产生影响；验证了聚合物弥散液晶全息光栅作为红外光通信掺铒光纤放大器增益均衡器的可行性.     

基于石墨烯表面等离子体的温度传感器设计

基于石墨烯的电学特性和周期性光栅结构,设计一种表面等离子体温度传感器.对温度传感器在不同光栅厚度、光栅宽度和光栅间隔时的反射率及共振波长进行仿真计算,优化传感器结构尺寸.在此基础上分析乙醇、蒸馏水、甘油等不同传感介质的温度传感器在不同温度下的反射率和共振波长,比较其温度灵敏度.试验结果显示,以甘油作为传感介质时,温度传感器的灵敏度可达0.665 nm·℃^-1.     

镜像对称的光子晶体透射带特性

通过传输矩阵方法计算了镜像对称光子晶体的带隙结构,结果表明该结构具有优越的窄带滤波性能.如果在该光子晶体两端均加入较高的折射率介质,构成夹心"三明治"结构,这时的光子晶体透射带结构出现多通道滤波特性;当两端加入不同的较高折射率介质但其光学厚度仍保持为基本结构单元的光学厚度时,得到宽度为50~2500 nm大范围的低透射区,其具有宽带阻波作用;当两端加入的不同高折射率介质但光学厚度变为基本光学厚度的两倍时,则得到在中心波长处出现非常窄的完全透射峰,这种带隙结构可用来设计优异理想窄带滤波器.