亚波长金属光栅结构的制备与矢量衍射理论分析

亚波长光栅及其应用的研究一、引言亚波长光栅是指光栅周期小于入射光波长的一种光学元件，具有多种应用场景。

本文将对亚波长光栅及其应用进行详细研究。

二、亚波长光栅的制备方法1. 电子束曝光法：利用电子束在感光材料表面进行曝光和显影，形成亚波长级别的图案。

2. 原子层沉积法：通过原子层沉积技术将金属或半导体材料沉积在基底上，形成亚波长级别的图案。

3. 离子束刻蚀法：利用离子束对材料表面进行刻蚀，形成亚波长级别的图案。

三、亚波长光栅的特性1. 具有高分辨率和高传输效率。

2. 可以实现多通道分离。

3. 可以实现非球面透镜功能。

四、亚波长光栅在激光技术中的应用1. 激光全息术：利用亚波长级别的全息记录介质记录激光干涉图案，可以实现高分辨率的图像重建。

2. 激光光栅压缩：利用亚波长级别的光栅对激光进行压缩，可以实现超短脉冲激光的产生。

3. 激光波前调制：利用亚波长级别的光栅对激光进行波前调制，可以实现高质量的激光束成形。

五、亚波长光栅在微纳加工中的应用1. 纳米结构制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行刻蚀或沉积，可以制备出纳米级别的结构。

2. 微纳器件制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行加工，可以制备出微纳级别的器件，如微透镜阵列、微流控芯片等。

六、亚波长光栅在生物医学中的应用1. 免疫检测：利用亚波长级别的全息记录介质记录生物分子信息，可以实现高灵敏度和高特异性的生物分子检测。

2. 细胞成像：利用亚波长级别的全息记录介质记录细胞信息，可以实现高分辨率的细胞成像。

七、亚波长光栅的发展趋势1. 制备技术的进一步提高，实现更高精度和更大尺寸的亚波长级别光栅。

2. 应用领域的拓展，如在量子计算、光子芯片等领域中的应用。

3. 与其他技术的结合，如与人工智能、虚拟现实等技术结合，实现更多样化和智能化的应用。

八、结论亚波长光栅具有多种特性和应用场景，在激光技术、微纳加工和生物医学等领域中都有广泛应用。

未来随着制备技术和应用领域的不断发展，其应用前景将会更加广阔。

亚波长金属偏振光栅设计与分析康宁;唐军;李大林;陈萌;杨江涛;郭浩;刘俊【摘要】In order to resolve atmospheric optics polarization pattern for accurate navigation,a sub-wavelength metallic polarizer is designed based on rigorous coupled-wave analysis( RCWA),which is suitable for structure of compound eye. Aiming at single and bi-layer metallic grating with different period,duty cycle and metal layer thickness are simultated and analyzed,actual technological level and cost into consideration,bi-layer metallic grating with period of 200 nm,duty cycle of 0. 5 and metal layer thickness of 100 nm is chosen for polarizer of compound eye,TM polarized light transmittance of blue light in central band 450 nm of the designed bi-layer metallic grating achieve 45 %,and the extinction ratio achieve 450,satisfy requirements for polarization navigation.%为解算大气偏振态来实现精确导航，基于严格耦合波分析，设计了适用于复眼结构的亚波长金属偏振器。

亚波长偏振光栅的研究进展ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＧｒａｔｉｎｇｓ赵华君１袁代蓉１吴正茂２１重庆文理学院物理与信息工程系，重庆４０２１６０２西南大学物理科学与技术学院，重庆４００７１!"５ＺｈａｏＨｕａｊｕｎ１ＹｕａｎＤａｉｒｏｎｇ１ＷｕＺｈｅｎｇｍａｏ２１ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０２１６０，Ｃｈｉｎａ２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５，Ｃｈｉｎａ#$$$$$$$%&’’’’’’’(１引言光栅作为一种常用的光学元件，在各类光学系统中起着重要作用。

光栅主要有色散、分束、偏振及相位匹配四个基本特性。

以前光栅的应用大都基于光栅的色散和分束特性，而对具有偏振特性的偏振光栅（ＰＧｓ）的研究相对较少。

近年来，人们逐步认识到光栅具有优良的偏振特性，并开展了大量的研究［１￣１５］。

理论和实验都表明，当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，利用光栅的偏振特性，可以制作各种偏光器件，如偏振光检测器、偏振分束器、相位延迟器、各种波片等［２￣７］。

光栅的周期小于入射光的波长称为亚波长光栅，亚波长光栅具有特殊的偏振衍射特性，可以实现偏振、分束、增透、高反、窄带滤波等功能［８￣１０］，基于光栅偏振特性的亚波长偏振光栅作为一种新型偏振光学元件［１１，１６］，通过对光波偏振态的周期性调制，产生一种偏振依赖的衍射场［１７］，可将单色平面波分裂成若干束具有不同偏振态的子光波。

亚波长偏振光栅除了能替代晶体作偏振光分束器外，还可以用作光开关、光互联器件，并且在偏振模色散（ＰＭＤ）的测量和补偿、偏振光的实时检测、偏振光数据处理、生物成像、偏振光相关的仪器设备等领域都有较多的应用［１７￣２４］。

亚波长闪耀光栅矢量衍射效率计算曹艳波;艾华【摘要】将矢量衍射数值算法-严格耦合波分析用于精确计算亚波长闪耀光栅的衍射效率,并分析其衍射特性.建立了闪耀光栅的电磁介质模型,并将楔形不规则结构简化为多层矩形光栅结构,通过电磁场的介质分布建立严格耦合波方程.根据边界条件求解出各层的电磁场分布,再通过增透矩阵方法将各层电磁场依次迭代,求解出了整个结构的衍射效率.计算分析显示,对闪耀角为11.3°、周期为500 nm的金属铝闪耀光栅可以得到高于90%的衍射效率和相应的闪耀级次.实验表明这种矢量衍射数值算法具有较高的准确性,可以推广应用于高致密刻线复杂光栅的衍射计算分析.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2010(003)006【总页数】5页(P679-683)【关键词】闪耀光栅;衍射效率;矢量衍射;严格耦合波分析【作者】曹艳波;艾华【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】O436.11 引言闪耀光栅是一种能将单个刻槽面衍射的中央极大和诸槽面间干涉零级主极大分开的相位型光栅。

闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行,两者之间有一夹角 (称为闪耀角),从而使单个刻槽面(相当于单缝)衍射的中央极大和诸槽面间 (缝间)干涉零级主极大分开,将光能量从干涉零级主极大,即零级光谱,转移并集中到某一级光谱上去,实现该级光谱的闪耀[1]。

而闪耀光栅的衍射效率理论上可以利用基于惠更斯-菲涅耳原理和基尔霍夫积分的标量衍射理论进行计算,但结果只是近似,特别是对于微小尺寸光栅,无法避免由于入射光的偏振态而造成的偏差。

矢量衍射理论主要针对处于共振区域或亚波长区域的光栅,耦合波方法是目前广泛使用的一种矢量衍射理论,由M.Moharma率先提出,20世纪 90年代在稳定性、收敛性和计算效率方面得到不断完善[2,3]。

光栅的制作及其衍射特性的研究实验原理1.光的干涉原理当两束相干的平面波以一定的角度相遇时，在他们相遇的区域内便会产生干涉，其干涉图样在某一平面内是一系列平行等距的干涉条纹，其强度分布则是按余弦规律而变化，即干涉图样的强度分布是121212I =I I 2cos()A A ϕϕ++-（1）式中的211I A =、222I A =，1A 、2A 是两列平面波的振幅，1ϕ、2ϕ是对应的空间相位函数。

当两束相干光的相位差为π2的整数倍时，即 122n ϕϕπ-=012n =±±、、……（1）式便描述了两束相干光干涉所形成的峰值强度面的轨迹，如图1所示。

若能用记录介质将此干涉图样记录下来并经过适当处理，则就获得了一块全息光栅。

1. 全息光栅基本参数的控制(1) 全息光栅空间频率（周期）的控制如图2所示，波长为λ的Ⅰ、Ⅱ两束相干光与P 平面法线的夹角分别为1θ和2θ， 它们之间的夹角为22θθθ+=。

这两束相干的平行光相干叠加时所产生的干涉图样是平行等距的、明暗相间的直条纹，条纹的间距d 可由下式决定：)(21cos )(21sin 21sin sin 212121θθθθθθλ-+=-=d （2）当两束对称入射,即12=/2θθθ=时2sin2θλ=d （3）当θ很小时有/d λθ=（4）若所制光栅的空间频率较低时，两光束的之间的夹角不大，就可以根据（4）式估算光栅的空间频率。

具体做办法是：把透镜L 放在Ⅰ、Ⅱ两光束的重合区，则两光束在透镜后焦面上会聚成两个亮点，若两个亮点之间的距离为X ，透镜的焦距为f ，则有0/X f θ=（5）将（5）带入（4）式得到图1两束平行相遇所形成的干涉/d f X λ=（6）即光栅的空间频率为01//v d X f λ==如图2所示，将白屏P 放在透镜L 的后焦面上，根据亮点的距离0X 估算光栅的空间频率v0X f vλ=（7）(2) 全息光栅的槽形控制由于全息光栅是通过记录相干光场的干涉图形而制成的，因此，其光栅的周期结构与两个因素有关：干涉图样的本身周期结构；记录干涉图样的条件。

亚波长光栅光学一、概述亚波长光栅光学是一种新型的光学技术，可以在纳米级别上对光进行调控，具有广泛的应用前景。

其基本原理是利用亚波长级别的周期性结构来实现对光的衍射和干涉，从而达到对光学信号进行调控的目的。

二、亚波长光栅的制备1. 电子束曝光法电子束曝光法是一种高精度制备亚波长光栅的方法。

它利用电子束在样品表面扫描，通过控制电子束束径和扫描速度等参数来实现对样品表面进行局部曝光，形成亚波长级别的周期性结构。

2. 原子层沉积法原子层沉积法是另一种常用于制备亚波长光栅的方法。

它利用化学反应将材料原子逐层沉积在基底上，在不同层之间形成亚波长级别的周期性结构。

三、亚波长光栅在传感器中的应用1. 全息显微镜传感器全息显微镜传感器利用亚波长光栅制备的光学元件，可以实现对生物样品的高分辨率成像。

其原理是将样品置于亚波长光栅上方，利用样品对光的散射和衍射产生干涉图案，再通过光学系统进行成像。

2. 光纤传感器光纤传感器利用亚波长光栅制备的光纤端面，可以实现对环境参数如温度、压力等的高精度测量。

其原理是将亚波长光栅制备在光纤端面上，当外界环境参数改变时，会引起反射信号的相位和幅度变化，从而实现对环境参数的测量。

四、亚波长光栅在信息存储中的应用1. 全息存储全息存储利用亚波长光栅制备的全息片来实现信息存储。

其原理是将信息通过激光束记录到全息片上，在读取时再通过激光束进行解码。

2. 全息显微镜全息显微镜可以通过亚波长级别的周期性结构来实现高分辨率成像。

其原理是将样品置于亚波长级别的周期性结构上方，利用样品对光的散射和衍射产生干涉图案，再通过光学系统进行成像。

五、亚波长光栅在光通信中的应用1. 光纤光栅滤波器光纤光栅滤波器利用亚波长级别的周期性结构来实现对特定波长的光进行滤波。

其原理是将亚波长级别的周期性结构制备在光纤上，当特定波长的光经过时会发生衍射，从而实现对该波长的滤波。

2. 全息显微镜传输全息显微镜传输利用亚波长级别的周期性结构来实现高速、高带宽的信号传输。

亚波长金属光栅偏振器制备技术研究杨江涛，王健安，王 银，胡 啸（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）摘要：亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性，采用严格耦合波法设计并制作了一种柔性双层金属光栅偏振器，通过纳米压印技术在方形的PC（Polycarbonate，聚碳酸酯）上制备了周期为278nm，深度为110nm，占空比为0.5的亚波长光栅，通过磁控溅射技术在制作的介质光栅上沉积了70nm的金属铝层，制作了具有双层金属结构的柔性双层金属光栅偏振器，并用光谱测试系统进行了简单的性能测试。

实验结果表明，当入射光波长范围在350～800nm时，制作的柔性双层光栅偏振器偏振特性优良，且具有非常高的透过率和消光比，分别高达48%和100000。

该制作工艺只由纳米压印和金属蒸镀完成，省去了复杂的涂胶、剥离及刻蚀，因此在大批量生产偏振器方面具有很明显的优势，可普遍用于光探测器件、光电开光等半导体光电子器件的制作过程。

关键词：柔性；光栅偏振器；TM透射效率；消光比中图分类号：TH706 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2021)01-0008-05 Fabrication Technology of a Subwavelength Metal Grating PolarizerYANG Jiangtao，WANG Jianan，WANG Yin，HU Xiao(School of Electronics Information Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract: Sub-wavelength periodic grating has special characteristics that are lacking in traditional grating. In this study, a flexible double-layer metal grating polarizer is designed and fabricated using a strict coupled wave method. Through nanoimprinting technology, sub-wavelength grating with a period of 278nm, depth of 110nm, and duty cycle of 0.5 is prepared on a square polycarbonate (PC). A 70nm metal aluminum layer is deposited on the fabricated dielectric grating by magnetron sputtering, and a double-layer metal structure is fabricated. A flexible double-layer metal grating polarizer is developed, and the performance of the polarizer is tested using a spectrum measurement system. Experimental results showed that when the wavelength range of the incident light was 350-800nm, the flexible double-layer grating polarizer had good polarization characteristics. The polarized light transmission efficiency and extinction ratio were as high as high as 48% and 100000, respectively. The manufacturing process involves only nanoimprinting and metal evaporation processes and thus excludes coating, stripping, and etching of the imprint adhesive. Therefore, our method exhibits evident advantages in terms of low-cost and batch production of large-area polarizers and thus can be widely used in the manufacturing process of semiconductor optoelectronic devices such as optical-detection and optoelectronic devices.Key words: flexible, wire-grid polarizer, TM transmission efficiency, extinction ratio0引言由两条金属线通过溅射的方式形成了一组窄缝，这组窄缝的距离小于入射光的波长，这就形成了亚波长金属光栅偏振器，它的体积属于纳米级别，但其偏振性能却非常好且容易集成，因此它被广泛应用于光通讯及液晶显示屏的制造中。

第35卷第5期中　国　科　学　技　术　大　学　学　报Vo l.35,No.5 2005年10月JOURNAL OF UNIVERS ITY OF SCIENCE AND TE CHNOLO GY OF CHINA Oct.2005文章编号:0253-2778(2005)05-0650-06亚波长金属/电介质双层光栅偏振片*廖艳林1,韩正甫2,曹卓良1(1.安徽大学物理系,安徽合肥230039;2.中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室,安徽合肥230026)摘要:用严格耦合波分析亚波长金属光栅和高频电介质光栅的衍射性质,给出了亚波长金属/电介质双层光栅偏振片的设计,同时通过严格耦合波分析给出了这种偏振片的TM波的反射特性和反射偏振比.关键词:亚波长光栅;耦合波理论;双层光栅;偏振片中图分类号:O436.3 文献标识码:A0　引言在光学信息处理、光学测量、光通信等系统中,控制光的偏振状态十分重要.但是传统的偏振器件体积过大,无法满足光学系统的小型化和集成化的需要,更无法以集成电路工艺制作集成光学元件.近几年来,随着超大规模集成电路(VLS I)和计算机辅助设计(CAD)以及光刻技术的发展,衍射光学元件受到广泛的关注[1～3].其中,亚波长光栅(光栅周期小于入射光的波长)的研究[4～6]备受重视.天然材料的偏振效应[7]来源于微观结构的不对称性引起的双折射,亚波长各向同性光栅的偏振效应则来源于光栅结构的几何不对称性.由于两个正交的偏振光(垂直于光栅矢量的TE偏振和平行于光栅矢量的TM偏振)边界条件不同,故两个正交偏振光的等效折射率不同.根据此性质设计亚波长单层或多层光栅偏振器件已有报道[8～10],它们均有很好的偏振特性[11～14].由于反射式偏振片在集成光学和液晶显示领域的重要作用,本文设计的反射式偏振片偏振效果较文献[14]的理想,并指出了该器件实际制作时的误差容许范围,对实际器件的制作有一定的指导意义.对于正入射光,单层电介质或单层金属亚波长光栅很难同时得到高偏振比R TM/R TE (反射TM波能量与反射TE波能量的比值)和高反射率(反射TM波能量).本文讨论了亚波长电介质光栅和亚波长金属光栅反射性质,第一次给出金属/电介质双层光栅结构,并用严格耦合波理论分析该结构的衍射特性.理论计算表明,在优化的光栅参数下,可以同时获得高达7.3×103偏振比(R TM/R TE)和高达92%的TM波反射率.1　理论模型当特征尺寸接近或小于入射光波波长时,必须用矢量衍射理论来分析.本文运用严格耦*收稿日期:2004-01-14;修回日期:2004-07-14基金项目:国家自然科学基金(69876034).作者简介:廖艳林,男,1978年生,博士生/助教.E-mail:liaoyanlin169@合波理论[15]分析金属/电介质光栅的衍射特性.文中所讨论的金属/电介质光栅是如图1所示的矩形光栅.Λ是光栅周期,h 1是金属层图1　双层金属/电介质光栅结构Fig.1　Geome try o f the double -layermetal -dielectric g rating(区域2)厚度,h 2是电介质层(区域3)厚度.区域1(反射区域)和区域4(透射区域)电介质均匀分布.光栅区域2和光栅区域3都包含了两种介质的周期分布,其介电常数为一周期函数,故可将介电常数用傅立叶级数展开εl (x ,z )=∑hεl ,h (z )ex p [j (2πh /Λ)]l =2,3(1)其中,εl ,h 分别为光栅区域2和区域3的介电常数第h 级傅立叶系数,是光栅深度的函数.对于TE 偏振光(电场矢量方向垂直光栅矢量方向),入射平面波波长为λ0,在各区域的电场分别为:E 1=exp {-jk 0n 1[sin (θ)x +co s (θ)z ]}+∑iR i (z )ex p [-j (k xi x -k 1,zi z )](2)E l =∑i Si ,l(z )e xp (-j (k x ,i x )), l =2,3(3)E 4=∑iT i(z )exp [-j (k xi x -k 2,zi (z -h 2)](4)式中,k 0=2π/λ0,k xi =k 0[n 1sin θ-i (λ0/Λ)],R i ,T i 分别为各级反射波与透射波的复振幅.k l ,zi =(k 20n 2l -k 2xi )2,l =1,2(5)将式(1)和(3)代入波动方程2E l +k 20εl (x ,z )E l =0(6)经过一定的变换得到一个S ′=AS 的矩阵方程,其中A 为一无穷维的系数矩阵,区域2和区域3中的电场E 2和E 3可以通过解矩阵A 的本征值和本征向量而求得.其中的未知量则由相邻区域之间的边界条件确定.衍射效率定义为衍射光和入射光的强度之比,由下式确定DE ri =R i R *i Re k 1,zik 0n 1cos θ,(7)DE ti =T i T *i Rek 2,zik 0n 1co s θ,(8)式中,Re 代表取实部,“*”表示取复共轭,DE ri 为第i 级反射波的衍射效率,DE ti 为第i 级透射波的衍射效率.2　计算结果和讨论2.1　单层电介质和金属光栅的反射特性亚波长电介质和金属光栅反射特性已有大量的研究.本文讨论的光栅结构如图2,入射波长取λ0=653nm ,光栅周期Λ=0.2*λ0,占空比F =0.4,入射角θ=0.图中1为入射区域,3为透射区域.由于光栅周期为波长的1/5倍,可以使用严格耦合波理论计算电介质651第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片和金属光栅的TE 波和TM 波的反射特性,并假定TE 波和TM 波的入射能量均为1.图2　单层光栅结构Fig.2　G eometry of sing le layer g r ating 图3(a )中给出了金属光栅(材料为金)TE 波和TM 波随光栅高度h 变化的反射特性曲线.可以发现,随着光栅高度的增加,T E 波反射率很高(>90%),且变化不大,而TM 波反射率在95%和55%之间有一定的振荡.偏振度(R TM /R TE )小于1.图3(b )则是电介质光栅(材料SiO 2)随着光栅高度变化的反射特性曲线.二者的反射率都很小.最大偏振比(R TM /R TE )可以达到100,但TM 波的反射率R TM 较小.(a )单层金属光栅(b )单层电介质光栅图3　反射能量与光栅深度关系Fig.3　Reflected po wer a t no rmal incidence a s a function of r atio o f g roo ve depth to incidentw aveleng th for (a )sing le layer me ta llic gr ating and (b )sing le lay er dielect ric g rating图4　反射能量与高度h 1、h 2的关系Fig.4　Reflected powe r at nor mal incidence as a functio n o f ratio of h 1and h 2to incident w aveleng th分析表明,在正入射情况下,单层电介质和单层金属亚波长光栅很难同时得到很高偏振比R TM /R TE 和TM 反射率.这种情况下不适合偏振器件的要求.2.2　金属/电介质双层光栅反射特性金属/电介质双层光栅结构如图1所示,本文讨论的金属选择金,电介质选择二氧化硅.同样考虑入射波长λ0=653nm ,光栅周期Λ=0.2*λ0,占空比F =0.4,光栅周期为波长的1/5,入射角θ=0情况下的光栅反射特性.图4给出了随光栅金属层高度h 1和电介质层高度h 2变化,双层光栅的TE 波反射特性.从图4中可以看出,当金层高度小于0.5倍的波长时,随着二氧化硅层高度的增加,金/二氧化硅双层光栅有明显652中国科学技术大学学报第35卷的周期性.二氧化硅的高度每增加约0.42倍的波长时有一个倒立的峰,峰位处的反射率很低,其中,第一个峰的反射率为1.26×10-2.数值计算表明,金层高度h 1为0.139倍波长,二氧化硅层高度h 2为0.275倍波长时,TE 波的反射率为0.01261%,而TM 反射率为92.5%,偏振比(R TM /R TE )达到7.34×103,偏振效果相当好.更因为这种结构的器件具备体积可以很小、垂直入射等优点,因此可以作为一种可集成的偏振器件,在反射式液晶显示器方面具有很高的实用价值.在计算中,我们采用了足够大的衍射级次(TE 波、TM 波在计算过程中是收敛的)以保证结论的可靠性.3　光栅刻蚀精度要求在实际光栅刻蚀中,总会存在一些误差,不能精确达到理论设计的需要.这将对器件的性能造成很大影响.可能的刻蚀误差有:光栅占空比的刻蚀误差;光栅深度的刻蚀误差.首先讨论光栅占空比误差,在其他条件不变的条件下,占空比从0.35到0.45连续变化对偏振比和反射率的影响,图5(a )是占空比与反射率的关系,可见占空比误差从-2.5%到1.3%,TE 波的反射率变化范围达1.31×103,TM 波的反射率最小值为79%,最大值为93%.图5(b )表示了占空比误差对偏振比的影响.占空比误差在-2.5%到1.3%,金/二氧化硅双层亚波长光栅的偏振比仍可大于1000.另一常见的误差是刻蚀深度的误差.刻蚀深度误差分为刻蚀不足和过度刻蚀.刻蚀不足是二氧化硅层没有被完全刻蚀,在金的衬底上有一层二氧化硅.图6(a )中表明刻蚀不足对TE 波和TM 波的反射率的影响,其中h 是在金衬底上二氧化硅的厚度.数值计算表明TM 波反射率受影响很小,几乎维持在90.6%不变,T E 波反射率变化范围为2.204×10-3%到12.8%.图7表明刻蚀不足,约在2.73%以内时,金/二氧化硅双层亚波长光栅偏振比仍大于1000.过度刻蚀是金衬底被刻蚀掉一部分.图6(b )中表明金衬底上被过度刻蚀对TE 波和TM 波反射率的影响,其中h 是在金衬底上被过度刻蚀的高度.数据表明TM 波的反射率变化是随金衬底被刻蚀的误差的增大逐渐减小.反射率在90.5%到85.0%之间.TE 波的反射率的随着过度刻蚀的深度增大显著增加.图7显示随着过度刻蚀误差的增加,金/二氧化硅双层亚波长光栅的偏振比单调减小.(a )反射率(b )偏振比的影响图5　占空比刻蚀误差对Fig.5　Effects of filling facto r er ro r on (a )reflectivity and (b )ex tinc tion ratios653第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片从上述分析可知,过度刻蚀对金/二氧化硅亚波长双层光栅偏振性能的影响非常大,而对光栅的占空比误差和刻蚀不足不是很敏感.所以,为了减小刻蚀误差对金/二氧化硅亚波长光栅偏振片的偏振性能的影响,应该避免过度刻蚀.(a)(b)图6　(a)刻蚀不足与(b)过度刻蚀对反射能量的影响Fig.6　(a)Effects of underetching and(b)o veretching fabrication er ro r onreflectivity图7　过度刻蚀与刻蚀不足对偏振比的影响Fig.7　Effects of undere tching and ove retchingfabrica tion err or o n e xtinctio n ratio s4　结论本文讨论了单层电介质(二氧化硅)和单层金属(金)亚波长光栅的反射性质.给出了金属(金)/电介质(二氧化硅)亚波长双层光栅结构,并用严格耦合波方法优化双层光栅的金/二氧化硅层的高度,可获得偏振比R TM/R TE高达7.34×103的偏振片,其中,TM波的反射率高达90%以上.考虑到这种光栅实际刻蚀时必然存在的误差,讨论了这种光栅结构对刻蚀误差的容忍程度.这种金属/电介质光栅偏振片的结构小巧,零度入射可达到很高的偏振比和高反射率,其在液晶显示和集成光学领域具有很高的价值.参 考 文 献[1]　M ane-Si L L,Philippe L,Pie rre C.Blazed-binary diff ractive elements w ith periods muchlarge r than the w avele ng th[J].J.O pt Soc,A m.A,2000,17(7):1250-1255.[2]　Jani T,Ville K,M arko H,et al.De sign ofspace-v ariant diffractive po larization elements[J].J.O pt Soc,A m.A,2003,20(2):282-289.[3]　Vincent L.G ene ral solution of the coupled-wav e equatio ns of aco usto-optics[J].J.Opt Soc,Am.A,2003,20(12):2307-2314.[4]　伊德尔,严瑛白,谭崤峰,等.亚波长光栅用654中国科学技术大学学报第35卷于实现宽光谱消色散1/4波片的研究[J ].中国激光,2003,30(5):405-408.[5]　袁惠,周进,王晓伟,等.一维深亚波长光栅的耦合波分析及偏振特性的研究[J ].中国激光,2002,29(9):795-800.[6]　Dustin W C ,Sulliv an J P ,F riedmann T A.L aterally defo rmable nano mechanical zero th -o rde r g rating s :ano malo us diffrac tion studied by rig oro us coupled -wave 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grating used as po larizer is presented.At the same tim e ,reflec -tivity properties fo r the TM po larization and the reflection po larization ratio of the polariz -er are attained with RCWA.Key words :subw aveleng th grating ;coupled -w ave analy sis ;do uble -layer grating ;polarizer655第5期亚波长金属/电介质双层光栅偏振片。

亚波长光栅的原理及应用亚波长光栅是一种特殊的光学元件，其工作原理是基于亚波长结构的作用，能够在非常小的体积内实现高效率的光学功能。

在亚波长光栅中，光通过光栅发生衍射，产生干涉效应，从而实现对光的操控。

它的应用非常广泛，包括传感领域、信息处理、光学器件等。

亚波长光栅的原理主要基于两个重要概念：光的衍射和亚波长结构。

光的衍射是指光通过光栅时发生的现象，由于光波的特性，当它遇到物体时会发生弯曲和折射，从而形成光的衍射。

光经过光栅后，有部分光正好符合相长干涉的条件，使得光在某些方向上增强，形成明亮的光斑，而在其他方向上出现相消干涉，形成暗斑。

这样的光栅被称为衍射光栅。

亚波长结构是指光栅的周期小于光波长的情况。

当光栅的周期比光波长小得足够多时，可以出现一种称为“超衍射”的现象。

超衍射是指当光波通过亚波长结构时，会发生比传统衍射更强烈的光的折射和散射现象。

这种折射和散射可以使得光束在非常小的体积内实现高度分辨率的光学功能。

亚波长光栅的应用非常广泛：1. 传感应用：亚波长光栅可以用于制造传感器，例如温度传感器、化学传感器等。

由于亚波长光栅具有高分辨率的优势，可以用来检测微小变化，从而实现对各种环境变量的精确测量。

2. 信息处理：亚波长光栅可以用于制造光学芯片，可以实现光学信号的处理和传输。

这种光学芯片可以用于光纤通信、光学计算等领域，具有传输速度快、信息处理能力强等优势。

3. 光学器件：亚波长光栅可以用于制造各种光学器件，例如偏振器、分光镜等。

这些光学器件可以用于改变光的偏振状态、分离不同频率的光等，实现对光的精确操控。

4. 成像技术：亚波长光栅可以用于制造高分辨率的成像器件，例如衍射光栅、光学透镜等。

这些器件可以用于改善成像质量、增加成像分辨率，对于医学成像、高清摄影等应用具有重要意义。

总结来说，亚波长光栅是一种基于亚波长结构的光学元件，能够在非常小的体积内实现高效率的光学功能。

它的原理是基于光的衍射和亚波长结构的相互作用。

亚波长金属光栅波导结构
亚波长金属光栅波导结构是一种利用亚波长金属光栅进行波导的光学结构。

它由亚波长金属光栅和两侧的介质层组成，通过控制光在介质层和金属光栅之间的传输，实现光的控制和调制。

这种结构的关键在于金属光栅的周期性排列，周期小于光波长，因此被称为亚波长金属光栅。

金属光栅的表面等离子体共振效应可以实现对光的限制和传输，使得光能够在金属光栅和介质层之间高效传输。

亚波长金属光栅波导结构在光学器件、光通信、传感等领域具有广泛的应用前景。

例如，可以利用这种结构制作表面等离子体共振传感器，用于检测生物分子、化学物质等。

此外，这种结构还可以用于制作光调制器、光开关等光学器件，实现高速光信号处理和光通信。

总的来说，亚波长金属光栅波导结构是一种具有重要应用价值的光学结构，其研究和发展对于推动光学领域的发展具有重要意义。

光栅衍射实验结论及分析光栅衍射实验是一种使用衍射原理探索可见光的基础实验，用来研究该原理的物理现象。

它是由泰勒（Thomas Young）在1801年首先提出的，是他发现可见光可以衍射的第一个例子。

自那时以来，光栅衍射实验及其理论基础一直是物理学家和光学家学习和研究可见光，了解它的性质和特性的首要通路。

本文将从光栅衍射实验和它发现的物理原理的发展史，衍射波的原理，以及光栅衍射实验在实际应用中的重要性等方面，阐述栅衍射实验的本质，以及它对可见光的研究与应用发挥的重要作用。

一、光栅衍射实验的发展史光栅衍射实验，也被称为“泰勒实验”，是由泰勒发现可见光可以衍射的第一个例子，它是由他在1801年提出的。

从1801年起，一直到当今，光栅衍射实验一直是用于探索可见光的基础物理实验。

泰勒在实验中，将光线通过一个针尖小的小孔，然后照射到一个光栅（也叫“天平”）上，观察它们投射到墙上时所形成的图案。

通过实验，他发现可见光是一种颗粒性的，可以衍射的粒子，他将这种理论发展为衍射波理论，在实验上，他也设计了一个衍射仪进行测量。

随后，荷兰物理学家克拉科夫（Crakow）在1820年用更加复杂的实验，进一步验证了泰勒的衍射波理论。

而后，几百年来，许多物理学家和光学家不断深入研究，完善了光栅衍射实验及其理论基础，并应用于实际，使得这个实验更加有效地发挥作用。

二、衍射波模型实验中，泰勒发现了可见光可以衍射，并建立了衍射波模型，这一模型是可见光的基本模型。

衍射波模型指的是关于衍射的一种基本理论，它描述的是可见光的衍射过程，它的基本思想是，由于光栅的存在，可见光会产生衍射，形成彩色的衍射图案。

衍射波模型给出了衍射的物理机制，即可见光由无数个小小的频率相同、波长相同的波组成，当这些波在衍射屏上相互关联时，就会出现衍射波模型所描述的衍射图案。

在衍射波模型中，还有一个重要概念，即衍射幅度。

衍射幅度是指在衍射图案中，不同颜色射线的强度差异，也就是说，衍射幅度表示衍射图案的强弱，它可以影响衍射图案的形状。