任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析与计算

根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析方法——严格的耦合波方法,该方法可用来分析具有任意面型函数光栅在TE,TM两种偏振模式的平面波入射下的光栅衍射特性.文中讨论了偏振状态及光栅结构参数对几种典型槽形光栅衍射场的影响.     

二元光栅衍射特性的矢量理论分析

根据麦克斯韦基本方程组,推导了描述二元光栅衍射特性的矢量理论分析方法--严格的耦合波方法,给出了TE、TM 两种偏振模式入射下的耦合波方程。应用该方法对二元位相光栅的衍射特性进行了分析,验证了该方法的收敛性及准确性。讨论了光栅周期、光栅深度、入射波入射角度等参数对光栅衍射特性的影响。     

亚波长光栅的衍射效率

本文使用矢量衍射理论一严格的耦合波理论对亚波长光栅的衍射效率进行了数值计算，得到在不同光栅参数时亚波长光栅的衍射效率，对影响光栅衍射效率的各个光栅参数分别进行分析，讨论了光栅在光栅参数变化时的衍射特性，给出衍射效率随光栅各个参数的变化曲线。由结果可知亚波长光栅的衍射效率随光栅槽的深度以及光栅占空比有着规律性的变化，选取不同的光栅参数就可得到完全不同的衍射效率，这样就为设计出所需要的光栅滤波特性提供了制造依据。     

非规则几何槽形光栅衍射效率自动计算方法

为了快速地自动计算非规则几何槽形光栅的衍射效率,使用MatLab软件模拟各种槽形,自动获取槽形参数,并根据这些槽形参数运用严格耦合波分析方法,计算光栅的衍射效率。结果表明所设计的计算程序能够快速自动分析非规则几何槽形并计算其衍射效率。该方法可用于循环计算槽形逐渐变化过程中的衍射效率。     

不等宽等深度二元矩形光栅矢量衍射理论的建模研究

应用 Maxwell’方程和电磁场边界连续条件研究了用矢量衍射理论分析不等宽等深度二元矩形光栅衍射特性的数学建模问题。     

不等宽等深度二元矩形光栅矢量衍射理论的建模研究

应用Ｍａｘｗｅｌｌ’方程和电磁场边界连续条件研究了用矢量衍射理论分析不等宽等深度二元矩形光栅衍射特性的数学建模问题。     

变栅距光栅衍射特性分析

光纤式变栅距光栅位移传感器是一种新的位移传感器,变栅距光栅是该位移传感器的核心元件,传感器的位移分辨率决定于变栅距光栅的光谱分辨,分析和研究如何提高变栅距光栅的光谱分辨能力是位移传感器提高位移分辨的关键。基于夫琅和费衍射理论,推导了对于变栅距光栅,平行光入射后的衍射光强的角度分布。计算变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5mm和10mm衍射光的分布特点;10mm入射光斑,光栅参数不同时衍射光的分布特点。实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响。由于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是传感器分辨率的一个重要影响因素。     

衍射光栅槽形隆起的数学建模及演变规律

以79g/mm的中阶梯衍射光栅为目标,研究衍射光栅机械刻划过程中铝膜的槽形隆起机制。首先,经过4次坐标变换,建立了光栅槽形的塑流剖面。然后,基于Lee and Shaffer提出的滑移线场模型,在塑流剖面内建立起包含滞留区域的滑移现场模型,并根据Dewhurst and Collins提出的矩阵算法对滑移线场进行求解,最终得到槽形隆起尺寸模型。最后,通过DEFORM软件对槽形隆起尺寸的演变规律进行模拟分析。     

双矩形光栅衍射特性分析

双光栅系统的衍射一干涉效应非常重要,现从置于透镜前方的任意两个衍射屏出发,推出透镜后焦平面的光强分布可以用两个衍射屏的振幅透射率函数的相关来表示,然后把该结论用于两个完全一样的矩形光栅,得出了双矩形光栅在一些特殊间距时透镜后焦面上的光强分布可以表示为周期不同的三角形光栅透过率。     

Near fields of periodic gratings calculated using rigorous electromagnetic theory

Rigorous electromagnetic theory (REMT) can be used to calculate the fields above dielectric and metallic gratings. In this paper, by including evanescent orders, the near fields are presented. The Legendre method is used to carry out these calculations. In this method the fields in each of the homogeneous sections along a grating period are approximated by Legendre polynomials. This method is an exact eigenfunction method in which the eigenvalues are found using simple matrix eigenvalue/eigenvector algorithms. By carefully dealing with the boundary conditions, extremely deep and highly conducting gratings can be examined. The convergence of the diffraction orders and nonimplicit power conservation are used to test the results. Contour plots showing the absolute value of the E-field near gratings for a large range of periods, depths, duty cycles, angles of incidence, and surface profiles are presented.     

Near fields of periodic gratings calculated using rigorous electromagnetic theory

Rigorous electromagnetic theory (REMT) can be used to calculate the fields above dielectric and metallic gratings. In this paper, by including evanescent orders, the near fields are presented. The Legendre method is used to carry out these calculations. In this method the fields in each of the homogeneous sections along a grating period are approximated by Legendre polynomials. This method is an exact eigenfunction method in which the eigenvalues are found using simple matrix eigenvalue/eigenvector algorithms. By carefully dealing with the boundary conditions, extremely deep and highly conducting gratings can be examined. The convergence of the diffraction orders and nonimplicit power conservation are used to test the results. Contour plots showing the absolute value of the E-field near gratings for a large range of periods, depths, duty cycles, angles of incidence, and surface profiles are presented.     

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。     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测量方法

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,尤其紫外波段的杂散光对光谱分析更为不利。为了考察平面刻划光栅在光谱仪器中使用时产生的杂散光,采用基于传统Fresnel-Kirchhoff衍射方程导出的杂散光相对强度表达式,数值分析了杂散光产生的原因。数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感。另外,提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,并数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系。此理论分析方法分别为如何在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论参考依据。最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对四个不同波长的杂散光进行了多次测量,使理论值和实验值的相对误差控制在13%左右。     

用于飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模研制

利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性,当相位掩模是矩形槽形时,占宽比在0.32~0.43之间,槽形深度在0.57~0.67μm之间时,能够保证零级衍射效率抑制在2%以内,同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上,利用全息光刻-离子束刻蚀技术,制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形,槽深是0.665μm,分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明,该相位掩模的零级衍射效率小于2%,±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。     

凹面光栅衍射效率测试仪精度分析和优化

分析和优化了凹面光栅衍射效率自动测试仪的测量精度,以提高凹面光栅相对衍射效率测量结果的准确性.根据凹面光栅相对衍射效率测量原理,对凹面光栅出射光谱增宽、衍射光束截面变化、光源辐射亮度的控制和测量波长同步精度等影响测量准确性的因素进行分析,给出了必要的运算关系式.采用回归分析等数学方法,基于大量实验数据建立了测量结果的优化公式,并将该公式编入测量程序,实现了在测量结束的同时自动优化测量结果.实验表明,经过优化后的测量值更加准确,与相对衍射效率理论值的偏差均在士2.5％以内,有效提高了仪器的测量精度.该方法操作简单,无需添加或改动仪器的任何部件,可满足仪器实时性强、测量准确的要求.     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测试

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,紫外波段的杂散光对光谱分析尤为不利.为了考察平面刻划光栅用于光谱仪器时产生的杂散光,采用标量衍射理论数值分析了杂散光产生的原因.数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感.提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系,从而分别为在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论依据.最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对4个不同波长的杂散光进行了多次测量.结果表明,当刻槽周期随机误差、刻槽深度随机误差和表面随机粗糙度分别取0.8 nm、 0.5 nm和1.2 nm时,理论值和实验值的相对误差可控制在13%左右.