亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

亚波长光栅偏振分束器的研究

利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对TE偏振光具有很高的反射率同时对TM偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。     

一种亚波长偏振分波/合波器的研制

针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围、极大的分光角度、高消光比和低插入损耗。实验测得透射、反射消光比均大于20 dB,插入损耗小于0.5dB。通过自行搭建的微结构测试平台,测量了p、s光的透射率、反射率随入射角度变化的曲线,和严格耦合波理论模拟结果符合。深入分析了制作中的过刻蚀对性能产生的影响。     

二元光栅抗反射特性的耦合波分析

基于严格耦合波分析理论和遗传算法,研究了亚波长矩形光栅(即二元光栅)的抗反射特性。针对光通信中的1.55μm波长设计了抗反射矩形光栅。探讨了光栅周期、占空比和光栅深度的变化对抗反射特性的影响。给出了光栅的抗反射特性所适用的入射角度及波长范围。当入射角度小于30°,在光纤传输系统中入射光波长为C波段和L波段时,反射效率小于0.4%,有效地减小了光纤传输系统的回波损耗。     

带有高折射率介质层的金属光栅偏振器特性的研究

研究了一种亚波长金属光栅偏振器在可见光波段的透射与消光特性。与传统亚波长光栅偏振器不同的是,通过在基底和光栅之间增加一层高折射率介质薄膜,提高了TM偏振光透射率和消光比。利用严格耦合波分析法(RCWA),模拟了高折射率介质层厚度、光栅占宽比对透射率和消光比的影响。计算结果表明,在整个可见光波段,合适的介质层厚度可使透射更加均匀并且当入射角在0～60°变化时,TM偏振光的透射率和消光比仍可分别达到79%和50 dB。这种带有高折射率介质层的亚波长金属光栅偏振器结构紧凑,性能优良,特别适合作为液晶平板显示中的偏振分光器件。     

非对称偏振分束光栅的矢量衍射优化设计

基于严格耦合波理论分析了一种非对称偏振分束光栅的设计。这种偏振分束光栅分别在1级和0级衍射级次上衍射TE和TM偏振波。介绍了利用遗传算法设计偏振分束光栅的方法,并给出了优化实例。仿真结果表明:在设计波长为1.55时,TE偏振波在1级的衍射效率大于93%,TM偏振波在0级的衍射效率大于99%,此时1级和0级的透射消光比分别达到了9914.1和46841.5。通过对设计结果的分析发现,该偏振分束光栅在设计波长附近100nm的波长范围内都具有较高的消光比(大于100),达到了较好的偏振分束效果。     

应用于投影显示系统的偏振分光镜的设计和制备

讨论了应用于投影显示系统的满足宽光谱范围、大的入射角、高的消光比的偏振分光镜的设计和制备。提出了一种偏振分光镜的新的设计方法 :采用多对迈克尼尔对组合来满足宽入射角范围的要求 ,采用多个中心波长不同的λ 4膜堆来满足宽光谱范围。设计的偏振分光镜在 42 0nm～ 6 70nm的波段范围内 ,在 41.34°～ 48.6 6°的入射角范围内 ,达到p偏振光的平均透过率大于 85 % ,p偏振光的平均透过率与s光的平均透过率之比大于 10 0 0。并给出了设计实例和样品的实测结果     

基于二维结构薄膜的偏振选择相位光栅的研究

利用二维结构薄膜构建了具有偏振选择特性的新型相位光栅,借助严格耦合波分析(RCWA)方法计算了光栅各级衍射强度随入射光波长及入射角的变化,发现在垂直入射情况下,波长600—640 nm范围内,相位光栅对横向电学(TE)模主要产生0级衍射,而对横向磁学(TM)模产生±1级衍射,在波长633nm处,0级衍射光的偏振消光比为109.8,±1级衍射光的偏振消光比为334.6.利用时域有限差分方法对这种相位光栅的偏振分束现象进行了模拟,偏振分离角在玻璃基板内可以达到10°左右,最后模拟了入射角为23°时光栅对不同偏     

亚微米光栅零级衍射特性的数值研究

用耦合波理论分析了亚微米光栅对光波场的衍射作用,给出了在TE和TM偏振入射条件下矩阵形式的耦合波方程,研究了光栅在TE偏振入射条件下可见光波段内的反射和透射零级衍射特性。亚微米光栅零级衍射效率是波长、偏振和入射角的函数,在不同照明、观察和光栅参数条件下,光栅零级衍射具有非常复杂的光谱结构,经过适当的优化光栅参数,零级衍射具有许多独特的衍射特性,在许多应用领域具有广泛的应用前景。     

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

 采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1 550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1 550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为l0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9l0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。     

Polarizing beam splitter based on a double-layer subwavelength grating

A Si–ZnS double-layer subwavelength grating is theoretically used as a high-efficient polarizing beam splitter. To design this structure, the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) is applied to study the reflectivity and transmissivity for the TE and TM polarization, respectively. Simulation results show that both the zero-order reflection for TE polarization and the zero-order transmission for TM polarization can exceed 90% in a wide tunable working incident angle range from 48° to 72°. Moreover, the proposed polarizing beam splitter has a working wavelength that is in the range of 1500–1600 nm.     

用于高能啁啾脉冲压缩的光子晶体光栅的设计

 为了克服目前高能短脉冲装置压缩光栅的损伤阈值无法满足要求的问题,针对星光Ⅲ装置皮秒激光束的压缩器,设计了由熔石英材料构成的、具有较高损伤阈值的光子晶体光栅,该光栅由2维光子晶体和表面光栅结构两部分组成,具有高反射效率和强角色散的能力。计算结果显示:经过优化设计的光子晶体光栅在波长1 053 nm,57°～77°的入射范围内,-1级衍射效率超过了92%,而当入射角为71°时,在1 040～1 090 nm光谱范围内,-1级衍射效率超过92%,性能满足使用要求。     

冰洲石/氟化钡紫外偏光镜正反向入射时的特性分析

分析了冰洲石/氟化钡紫外外偏光镜在正向使用时透射光束的偏离角及影响因素;指出了该种偏光镜反向使用时等效于罗匈棱镜,并计算了分束角的大小;对这两个特性进行了测试。结果表明:其反向使用时的分束角在265nm—768nm波段内为8°左右,随波长的起伏在9 679°—7 138°之间。反向使用时可以作为性能优良的紫外偏光分束镜,且反向使用时的消光比要优于正向使用时的消光比。     

Polarization properties of subwavelength metallic gratings in visible light band

Optical polarization properties of aluminum, gold and aluminum/gold subwavelength metallic gratings (SWMGs) are investigated numerically in the visible light band. Their performance as polarizing beam splitters are simulated with RCWA for varied metallic materials, grating depth and incident angle. Metallic waveguide theory is applied to explain the performance difference between Au and Al grating. A new type of Al/Au bimetallic is also investigated numerically for potential applications. PACS 42.79.Dj; 42.81.Gs; 73.20.Mf     

Broadband polarizing beam splitter based on the form birefringence of a subwavelength grating in the quasi-static domain

We propose a novel broadband polarizing beam splitter with a compact sandwich structure that has a subwavelength grating in the quasi-static domain as the filling. The design is based on effective-medium theory an anisotropic thin-film theory, and the performance is investigated with rigorous coupled-wave theory. The design results show that the structure can provide a high polarization extinction ratio in a broad spectral range.