若干微納光學(xué)器件光學(xué)性能分析及實驗研究.pdf

1、人類社會進入高速的信息時代，各種軍用民用領(lǐng)域需要的器件和工具越來越趨向于微型化、集成化，因此微納器件的制造和應(yīng)用成為科學(xué)研究中的熱點。微納光學(xué)器件在微光學(xué)領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，而且隨著微光學(xué)的發(fā)展，越來越多的微納光學(xué)器件被設(shè)計、制造并應(yīng)用。在分析微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性時，傳統(tǒng)的幾何光學(xué)和標量衍射理論往往已經(jīng)不再適用，必須應(yīng)用矢量衍射理論。本文主要應(yīng)用時域有限差分法分析了光纖探針、光學(xué)微球腔以及光柵抗反射結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，并利用偏振激光直寫技術(shù)

2、刻寫了二元微納結(jié)構(gòu)，研究了角方向相位延遲軸對稱偏振光的聚焦特性。
　　 本文的主要研究工作如下：
　　 1、簡單介紹了時域有限差分法，利用Fortran語言編寫了計算程序，驗證了吸收邊界條件的可靠性。研究金屬中的時域有限差分法模型，建立了三維光學(xué)計算模型。闡述了研究光纖探針偏振傳輸特性的的意義，并得到了探針針尖附近出射光強的分布。通過改變探針的各個參數(shù)，包括探針錐角、針尖開口直徑、金屬膜材料及其厚度、入射光波長等，得到它

3、們對光纖探針偏振傳輸特性的影響。結(jié)果表明不同參數(shù)會對探針的保偏特性產(chǎn)生不同的影響，而且各參數(shù)之間是共同作用的，相互影響。理論上得到了理想各向同性探針的最大消光比在45左右。
　　 2、建立了微球腔二維光學(xué)計算等效模型。分析了波導(dǎo)耦合下三層和雙高折射率四層微球腔的諧振性能。比較了均勻結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)微球腔的性能，發(fā)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)具有更高的最大能量密度和存儲能量，而且能量分布集中，即有較低的模式體積；波導(dǎo)與多層微球腔之間存在一個

4、最佳間隙，模擬結(jié)構(gòu)的最佳間隙在60-120nm之間。改變高折射層的厚度和折射率，在特定波長的入射光下可以獲得具有較高最大能量密度或者較小模式體積的的微球腔，確定了優(yōu)化的厚度和折射率。模擬了高斯光激勵下具有導(dǎo)出波導(dǎo)的微球腔，導(dǎo)出波導(dǎo)與微球腔中的光具有相似的激發(fā)頻譜，多層微球腔中的諧振能量可以從波導(dǎo)中導(dǎo)出。分析了雙高折射率層微球腔第二層厚度對內(nèi)外高折射層諧振特性的影響，結(jié)果表明恰當(dāng)?shù)倪x擇第二層厚度，可以使內(nèi)外高折射層諧振互不影響，同時都保持

5、較高的存儲能量；通過模擬證明了外界折射率變化只影響外層的諧振特性，對內(nèi)層不產(chǎn)生影響，這樣可以把內(nèi)層諧振波長作為參考，通過外層的諧振波長改變來分析外界參數(shù)的變化。
　　 3、介紹了分析光柵傳輸特性的各種方法，以Floquet定理為基礎(chǔ)，通過雙波入射法構(gòu)造了FDTD的周期邊界條件，并利用Fortran語言編寫了一維周期結(jié)構(gòu)TM/TE波入射的程序，并驗證程序的可靠性。通過改變周期結(jié)構(gòu)中一個單元的形狀與介質(zhì)，可以用來分析光柵等周期結(jié)構(gòu)對

6、光或者電磁波散射問題。模擬三角形光柵的高度和周期寬度變化對光柵透射率的影響，結(jié)果表明提高三角形光柵的高度或者降低周期寬度，可以增加光柵的透過率。但是對于TE波，需要注意周期寬度減小時，其透過率變化的振蕩性?？梢岳酶叨然蛘咧芷趯挾扰c波長的比值來定性模擬一定頻譜寬度內(nèi)光柵的特性。對比三角形光柵和矩形光柵，三角形的光柵更適合作為抗反射結(jié)構(gòu)
　　 4、介紹了偏振激光直寫系統(tǒng)的搭建，包括機械電氣部分、光偏振調(diào)制部分、軟件部分等等。利用直

7、寫系統(tǒng)在不同的偶氮苯聚合物薄膜上制作了光柵、圖形、衍射器件等二元微納結(jié)構(gòu)，并通過輪廓儀、偏光顯微鏡、顯微鏡等對這些微納結(jié)構(gòu)進行分別觀察和分析，并觀測了衍射器件的聚焦。結(jié)果說明可以利用偏振激光直寫系統(tǒng)在偶氮苯聚合物薄膜上刻寫衍射器件，通過控制曝光時間、激光強度和偏振方向，可實現(xiàn)不同的刻寫形貌。與傳統(tǒng)的干涉法相比，激光直寫更靈活，實驗條件簡單，理論上可以刻寫任何二維分布形貌。
　　 5、利用普通線性偏振光通過高雙折射率差的c切釩酸釔

8、晶體產(chǎn)生了角方向相位延遲軸對稱偏振光，理論分析產(chǎn)生偏振方向改變和角方向相位延遲的原因，并利用偏振片檢查其偏振方向的分布。應(yīng)用矢量衍射理論分別推導(dǎo)出準徑向偏振光和角向偏振光在焦點附近聚焦光斑的解析解，并利用數(shù)值積分的方法得到焦點附近聚焦光斑的分布。通過與普通軸對稱偏振光聚焦光斑對比發(fā)現(xiàn)，各偏振方向的焦斑形狀完全不同，但是依然具有縱橫向尺寸小和平頂聚焦等性質(zhì)。通過改變聚焦物鏡數(shù)值孔徑，可以改變聚焦光斑的形狀。特別是對于準角向偏振光，聚焦光斑