若干微纳光学器件光学性能分析及实验研究汇总.pdf

摘 要 摘要 人类社会进入高速的信息时代，各种军用民用领域需要的器件和工具越来 越趋向于微型化、集成化，因此微纳器件的制造和应用成为科学研究中的热点。 微纳光学器件在微光学领域中有着重要的应用，而且随着微光学的发展，越来 越多的微纳光学器件被设计、制造并应用。在分析微纳结构的光学特性时，传 统的几何光学和标量衍射理论往往己经不再适用，必须应用矢量衍射理论。本 文主要应用时域有限差分法分析了光纤探针、光学微球腔以及光栅抗反射结构 的光学特性，并利用偏振激光直写技术刻写了二元微纳结构，研究了角方向相 位延迟轴对称偏振光的聚焦特性。 本文的主要研究工作如下： 1、简单介绍了时域有限差分法，利用Fortran语言编写了计算程序，验证 了吸收边界条件的可靠性。研究金属中的时域有限差分法模型，建立了三维光 学计算模型。阐述了研究光纤探针偏振传输特性的的意义，并得到了探针针尖 附近出射光强的分布。通过改变探针的各个参数，包括探针锥角、针尖开口直 径、金属膜材料及其厚度、入射光波长等，得到它们对光纤探针偏振传输特性 的影响。结果表明不同参数会对探针的保偏特性产生不同的影响，而且各参数 之间是共同作用的，相互影响。理论上得到了理想各向同性探针的最大消光比 在45左右。 2、建立了微球腔二维光学计算等效模型。分析了波导耦合下三层和双高折 射率四层微球腔的谐振性能。比较了均匀结构，两层结构和三层结构微球腔的 性能，发现三层结构具有更高的最大能量密度和存储能量，而且能量分布集中， 即有较低的模式体积；波导与多层微球腔之间存在一个最佳间隙，模拟结构的 最佳间隙在60．120nm之间。改变高折射层的厚度和折射率，在特定波长的入 射光下可以获得具有较高最大能量密度或者较小模式体积的的微球腔，确定了 优化的厚度和折射率。模拟了高斯光激励下具有导出波导的微球腔，导出波导 与微球腔中的光具有相似的激发频谱，多层微球腔中的谐振能量可以从波导中 导出。分析了双高折射率层微球腔第二层厚度对内外高折射层谐振特性的影响， 结果表明恰当的选择第二层厚度，可以使内外高折射层谐振互不影响，同时都 保持较高的存储能量；通过模拟证明了外界折射率变化只影响外层的谐振特性， 对内层不产生影响，这样可以把内层谐振波长作为参考，通过外层的谐振波长 改变来分析外界参数的变化。 3、介绍了分析光栅传输特性的各种方法，以Floquet定理为基础，通过双 波入射法构造了FDTD的周期边界条件，并利用Fortran语言编写了一维周期 摘要 结构TM／TE波入射的程序，并验证程序的可靠性。通过改变周期结构中一个单 元的形状与介质，可以用来分析光栅等周期结构对光或者电磁波散射问题。模 拟三角形光栅的高度和周期宽度变化对光栅透射率的影响，结果表明提高三角 形光栅的高度或者降低周期宽度，可以增加光栅的透过率。但是对于TE波， 需要注意周期宽度减小时，其透过率变化的振荡性。可以利用高度或者周期宽 度与波长的比值来定性模拟一定频谱宽度内光栅的特性。对比三角形光栅和矩 形光栅，三角形的光栅更适合作为抗反射结构 4、介绍了偏振激光直写系统的搭建，包括机械电气部分、光偏振调制部分、 软件部分等等。利用直写系统在不同的偶氮苯聚合物薄膜上制作了光栅、图形、 衍射器件等二元微纳结构，并通过轮廓仪、偏光显微镜、显微镜等对这些微纳 结构进行分别观察和分析，并观测了衍射器件的聚焦。结果说明可以利用偏振 激光直写系统在偶氮苯聚合物薄膜上刻写衍射器件，通过控制曝光时间、激光 强度和偏振方向，可实现不同的刻写形貌。与传统的干涉法相比，激光直写更 灵活，实验条件简单，理论上可以刻写任何二维分布形貌。 5、利用普通线性偏振光通过高双折射率差的c切钒酸钇晶体产生了角方向 相位延迟轴对称偏振光，理论分析产生偏振方向改变和角方向相位延迟的原因， 并利用偏振片检查其偏振方向的分布。应用矢量衍射理论分别推导出准径向偏 振光和角向偏振光在焦点附近聚焦光斑的解析解，并利用数值积分的方法得到 焦点附近聚焦光斑的分布。通过与普通轴对称偏振光聚焦光斑对比发现，各偏 振方向的焦斑形状完全不同，但是依然具有纵横向尺寸小和平顶聚焦等性质。 通过改变聚焦物镜数值孔径，可以改变聚焦光斑的形状。特别是对于准角向偏 振光，聚焦光斑半高宽只相当于衍射极限的60％，当数值孔径足够大时，该半 径小于波长的l／2