亚波长介质膜光栅宽光谱消色差相位延迟器的研究

摘要

随着微加工工艺的发展和微光学应用领域的拓宽，微光学器件的特征尺寸不断缩小，亚波长光栅（SWG）应运而生，其偏振特性类似单轴晶体的双折射效应，这说明SWG将能够实现双折射材料具有的光学功能，可以用于多种偏振功能，如波片、偏振分束器和相位延迟器等。
　　本论文主要以亚波长光栅的宽光谱消色差相位延迟器为研究对象，基于严格耦合波理论对光栅型的相位差和衍射效率（包括反射衍射效率和透射衍射效率）进行了分析，以90°的相位差为适应度评价函数，利用遗传算法的工具箱对光栅结构参数进行自动寻优，从而得到最优光栅结构参数，以实现高精度和高衍射效率的相位延迟器。
　　本文主要开展的工作如下：首先分析亚波长光栅和介质膜光栅的衍射特性，对其理论分析过程进行了详细的阐述；其次针对相位延迟器中常用的1053 nm和1550 nm两个中心波长，基于上述优化设计方法，设计了三种光栅结构实现宽光谱1/4波片消色差相位延迟，获得了以下研究结果：（1）以1550 nm为中心波长，采用单层光栅结构，实现了1350~1750 nm范围内，TE波和TM波的相位延迟量控制在90°±2°，衍射效率在80%以上，带宽可达到400 nm；（2）以1053 nm为中心波长，设计了夹层式的亚波长金属介质膜光栅结构，带宽为300 nm范围内相位延迟量在90°左右，最大偏差小于2.3%，且TE和TM波的衍射效率均高于90%；（3）以1053 nm为中心波长，设计了多层金属介质膜光栅（MMDG）的消色差相位延迟结构，优化后的相位延迟器在900~1200 nm范围内相位延迟最大偏差小于4.5%，且TE波和TM波的衍射效率均高于95%。所设计的三种光栅结构都有较大的工艺容差，性能上满足光学领域对相位延迟器的要求。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 亚波长光栅相位延迟器综述

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究意义及主要内容

第二章 亚波长光栅分析理论研究

2.1光栅的衍射理论

2.2 金属/介质膜光栅的严格耦合波分析

2.3亚波长光栅的优化设计

2.4 本章小结

第三章 单层亚波长光栅宽光谱消色差相位延迟器的设计

3. 1 设计优化

3. 2 特性分析

3. 3 工艺容差分析

3. 4 本章小结

第四章 夹层式金属介质膜光栅宽光谱消色差相位延迟器的设计

4. 1设计优化

4. 2 特性分析

4.3 工艺容差分析

4.4 本章小结

第五章 多层金属介质膜光栅宽光谱消色差相位延迟器的设计

5.1设计优化

5. 2 特性分析

5.3 工艺容差分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

声明