严格耦合波法计算体布喇格光栅衍射效率_张茜

第3卷 第4期2010年8月中国光学与应用光学Ch inese Journal of Optics and A pplied O pticsV o.l 3 N o .4A ug .2010收稿日期:2010-01-11;修订日期:2010-03-13基金项目:广东省自然科学基金资助项目(N o .9451009001002756);广东省教育厅优秀青年创新人才培育项目(育苗工程)(No.100068)文章编号 1674-2915(2010)04-0348-05高密度相位光栅的偏振选择性王 博(广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006)摘要:高密度光栅具有与传统光栅不同的性质,其衍射特性往往是偏振相关的。

本文针对1550n m 波长TE /TM 偏振入射光和015的光栅占空比,利用严格耦合波分析数值计算了不同光栅周期下0级及-1级的衍射效率。

研究表明,相比周期为1550n m 的光栅,当周期为1200n m 时,偏振相关衍射效应明显增强,当光栅周期为890n m 时,TE 偏振光的衍射效率随着光栅深度呈正余弦变化,而TM 偏振光的衍射效率始终集中在0级,具有偏振选择性。

通过模式方法,利用模式中的有效折射率概念,研究了不同周期下被入射光所激发的两种光波模式通过光栅区域传播所累积的相位差;基于双光束干涉,模拟了0级和-1级的衍射效率。

结果表明,利用严格耦合波分析的数值计算结果符合模式方法的理论预期,对于高密度相位光栅的偏振选择性给予了合理的物理机制解释。

关 键 词:高密度光栅;严格耦合波分析;模式方法;偏振选择性中图分类号:O 436.3 文献标识码:APol arizati on -selectivity of high -de nsit y phase gratingsW ang Bo(Schoo l o f P hysics and Op toelectronic Engineering,Guangdong Universit yo f T echno logy,Guangzhou 510006,Ch ina)Abst ract :D iffracti o n properties of h i g h -density gratings are polarization -dependen,t wh ich are different fro m t h ose of conventional grati n gs .For TE -and T M-polarized i n c i d entw avesw it h a w avelength of 1550nm and a duty cycle of 015,d iffracti o n effic ienc ies in the 0t h and-1st orders are calcu lated usi n g R igorous Coup led -w ave Analysis(RC WA ).It i n dica tes t h atm ore po larization -dependent characteristics are sho w n for t h e period 1200n m co m pared w ith 1550n m.Especia ll y ,w ith the per i o d 890nm,the diffraction effic i e ncy o fTE -polar -ized w ave changes w ith grating dept h sinuso i d ally ,wh ile the effic iency o fTM-polarized w ave wh ich has polar-i zation -se lecti v ity is a l w ays concentrated on the 0t h order .A ccord i n g to m odal m ethod ,m odes exc ited by the i n c i d entw ave are i n vestigated for d ifferen t per i o ds and the accum ulated phase d ifferences o f the t w o m odes w it h different effective i n d ices are calcu l a ted w hen they propagate through the g rati n g reg i o n .M oreover ,diffracti o n effic ienc ies i n the 0th and -1st orders are si m ulated based on t w o -bea m i n terference .Experi m enta lresu lt sho w s that t h e num erical calculation resu lt usi n g RC WA co inc i d es w ellw ith the theoretical pred i c ti o ns o f m oda lm ethod,wh ich can expla i n t h e physical m echan is m o f po larizati o n-selectiv ity of h i g h-density phase gratings.K ey w ords:high-density grating;R i g orous Coupled-w ave Ana l y sis(RC WA);m odal m ethod;polarization-se-lecti v ity1引言衍射光栅广泛应用于许多光学信息处理系统中[1~3]。

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]。

光栅衍射、单缝衍射和微波布拉格衍射总结波的衍射专题实验共包括三个实验，光栅衍射实验、单缝衍射光强度的测量及光敏器件的应用和微波布拉格衍射。

这三个实验虽然都和衍射相关，但是三个实验又各有不同，其中单缝衍射主要是对衍射进行观察并学会利用光敏器件测量光强分布；光栅衍射则是通过衍射现象去了解光栅的特性，而微波布拉格衍射实验则是通过实验学习微波布拉格衍射理论以及学会一种测量波长的方法。

波的衍射是直播在其传播路径上如果遇到障碍物它能绕过障碍物的边缘而进入几何阴影内传播的现象，作为电磁波，光也能产生衍射现象。

衍射现象已公费为两类，一类是光源和观察屏（或二者之一）离开衍射孔或缝的距离有限，这种衍射称为菲涅耳衍射（进场衍射）；另一类是光源和观察屏都在离衍射孔或缝无限远处，这种衍射称为夫琅禾费衍射（远场衍射）。

夫琅禾费衍射其实是菲涅耳衍射的一种极限情形。

惠更斯原理：介质中的任一波阵面上的各点，都可以看作是发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面。

用惠更斯原理很容易解释波的衍射现象。

所谓波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，能绕过障碍物的边缘继续前进的现象。

当波遇到狭缝或小孔时，这些开口处的各点都可以看作是发射子波的波源，做出这些子波的包迹面，就得出新的波阵面，这样就形成了衍射现象。

一、单缝衍射:实验方法：一、手动测量（1）调整光路，打开激光器取狭缝与光敏探测器之间距离为90cm左右，透镜和狭缝的光敏探测器的距离为80cm，并调节仪器使它们同轴等高。

（2）观察记录单缝衍射现象。

（3）测量单缝衍射的光强分布及缝宽，转动调节光电池位置的旋柄，是光敏探测器狭缝对准衍射图纹，仔细确定光强度为极大值时狭缝的位置，并记录。

然后向一侧稍微移动一点狭缝，这样使峰值包含在内，然后测量出光强直到第二级暗纹处为止。

（4）取下单缝，用读数显微镜测量缝宽；二、自动测量（1）调好光路，检查光强，使衍射条纹清晰。

光栅衍射效率引言光栅衍射是光学中一种重要的现象，它是指当光通过具有周期性结构的光栅时，会产生干涉和衍射效应。

光栅衍射具有广泛的应用，例如在光谱学、光通信和光学测量等领域都有重要的应用。

本文将探讨光栅衍射效率的相关概念和影响因素。

光栅衍射效率的定义光栅衍射效率指的是光通过光栅后，不同衍射方向的光强占总入射光强的比例。

光栅衍射效率可以用于描述光栅衍射的强度分布和能量分布。

在光栅衍射实验中，通常会产生多个衍射光斑，每个光斑对应不同的衍射方向。

光栅衍射效率可以通过测量各个衍射光斑的光强来计算。

光栅衍射效率的计算方法光栅衍射效率的计算需要考虑光栅的结构和光的特性。

以下是一些常用的计算方法：1.瑞利-索区（Rayleigh-Sommerfeld）衍射积分方法：该方法是基于波的衍射理论，通过对光栅的衍射场进行积分计算得到衍射效率。

2.弗朗索瓦-彭泽尔法（Fraunhofer-Fresnel）衍射公式：该方法是基于光的波动性和衍射理论，通过利用傅里叶变换的方法将光场从衍射面（光栅平面）转换到远离光栅的观察面，根据远场近似来计算衍射效率。

3.矢量衍射理论：该方法考虑了光的偏振性和入射角度对衍射效率的影响，可以更准确地描述衍射过程。

以上方法在不同情况下适用于不同的光栅结构和光学系统。

根据实际应用需求，选择合适的方法来计算光栅衍射效率。

影响光栅衍射效率的因素光栅衍射效率与多个因素密切相关，以下是一些常见的影响因素：1.光栅周期：光栅的周期决定了入射光与光栅结构的相互作用，不同周期的光栅会导致不同的衍射效果。

2.光栅深度：光栅的深度决定了光在光栅内部的传播方式，不同深度的光栅会对入射光的传播产生不同的改变。

3.入射角度：入射角度决定了光栅的衍射方向和衍射效率，不同角度的入射会导致不同的衍射效果。

4.入射光波长：入射光波长决定了光栅的周期与光的相互作用，不同波长的光会对光栅的衍射效果产生不同的影响。

5.光栅材料和制备工艺：光栅的材料和制备工艺会影响光栅的性能和衍射效率，不同材料和工艺的选择会导致不同的衍射效果。

布拉格衍射效率公式布拉格衍射是晶体学和光学中的一个重要概念，而布拉格衍射效率公式则是用于描述和计算这一现象的关键工具。

咱先来说说啥是布拉格衍射。

想象一下，有一堆排列整齐的原子或者晶格，就像操场上整齐排列的学生方队。

当一束光打过来的时候，这些原子就像是一个个小镜子，把光反射出去。

但如果这束光的波长和晶格的间距配合得恰到好处，就会发生一种特别的现象，叫做布拉格衍射。

布拉格衍射效率公式就是用来计算这种衍射效果有多强的。

这公式看起来可能有点复杂，一堆符号和数学运算。

但别担心，咱们慢慢捋一捋。

就拿我曾经在实验室里的一次经历来说吧。

那时候我正在研究一种新型的晶体材料，想要搞清楚它的光学特性。

我按照实验步骤，仔细地调整光源的波长和入射角，然后测量出衍射光的强度。

可是，一开始怎么都算不对衍射效率，心里那个着急啊！后来我静下心来，重新审视实验数据和布拉格衍射效率公式，发现原来是自己把其中一个参数的单位搞错了。

经过一番仔细的核对和计算，终于得到了和实验结果相符的衍射效率。

那一刻，真的是有一种豁然开朗的感觉，就好像在黑暗中摸索了好久，突然看到了光明。

再来说说这布拉格衍射效率公式里的几个关键因素。

比如说入射角、波长、晶格间距等等。

每个因素的变化都会对衍射效率产生影响。

比如说，如果波长变长了，衍射效率可能会降低；如果晶格间距变大了，衍射效率又会发生什么样的变化呢？这就需要我们仔细地运用公式去计算和分析。

在实际的应用中，布拉格衍射效率公式可重要了。

在光学器件的设计中，比如制造高效的衍射光栅，就需要准确地计算衍射效率，以达到理想的光学性能。

在材料研究中，通过分析衍射效率，我们可以了解材料的结构和性质。

总之，布拉格衍射效率公式虽然看起来有点复杂，但只要我们认真去理解，结合实际的实验和应用，就能很好地掌握它，为我们的科学研究和技术创新提供有力的支持。

就像我那次在实验室里，虽然经历了一些波折，但最终还是成功地运用了这个公式，取得了有价值的研究成果。

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计吴从均;颜昌翔【摘要】为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜(PGP)结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置.系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统.光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差.根据实际指标探测器像元尺寸为20 μm×20μm,像元数为512×512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm×10.2 mm,波段在400 nm～800 nm,物方数值孔径为0.15.分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论.分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm.%In order to make the imaging spectrometer compact and to be directly viewed , an optical system incoporating prism-grating-prism(PGP) component was designed. The system includes PGP device, collimating lens, imaging lens and receiving device. The system uses volume hologram bragg diffraction grating(VHDG) instead of ordinary ruled grating, which have high diffraction efficiency. Symmetric structure that can eliminate lateral abberations automatically is applied to this system. The requirements of design specification are given, which include 512×512 pixels CCD with pixel size of 20 μm×20 μm, 148 spectrum channels,slit size of 10 mm×0. 02 mm,object NA of 0. 15, and operation wavelength ranging from 400 nm to 800 nm. System concept and features, diffraction efficiency, paramentsrelationship are discussed. According to analysis, diffraction efficiency is higher than 0. 6 in the whole spectrum range. Using ZEMAX optical optimization software, the MTF of the sysytem is better than 0. 7 at the Nyquist frequency, the spectural resolution is better than 3 nm, and the length of the sysytem is 90 mm.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】7页(P37-43)【关键词】PGP;体全息相位光栅;成像光谱仪;衍射效率;光学设计【作者】吴从均;颜昌翔【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039【正文语种】中文【中图分类】O433;TH703引言成像光谱仪可以同时获得二维空间信息和一维光谱信息，在地质分析、矿产勘探、地面测绘、军事监测、医疗器械、自然灾害预警等诸多方面有着重要的应用。

变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法王东辉;刘林;李秉实;包艳;郑普超;张兵;张超【摘要】A calculation method based on the relative diffraction efficiency of varied line-space blazed grating was presented in this paper,which is obtained through varied line-space grating diffraction intensity distribution formu-la.This method is simple,effective,although there is certain approximation,it is still instructive in engineering de-sign.In addition,the influencing rule of varied line-space grating parameters on the diffraction efficiency is obtained, which provides a theoretical basis for the optimization of production process.%提出了一种变栅距闪耀光栅相对衍射效率计算方法，它是基于变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式得出的。

该方法简洁、有效，虽然有一定的近似性，但在工程设计上仍有较强的指导性。

此外，还得出变栅距闪耀光栅参数对其衍射效率的影响规律，对优化制作工艺提供了理论依据。

【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P69-72)【关键词】变栅距闪耀光栅;衍射效率;光栅位移传感器【作者】王东辉;刘林;李秉实;包艳;郑普超;张兵;张超【作者单位】西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065;西安飞行自动控制研究所，陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】O436.11 引言变栅距闪耀光栅是变栅距光栅位移传感器的关键部件［1］，其衍射效率对传感器系统的总效率起着重要作用。

体全息光栅衍射效率计算程序耦合波理论半高全宽计算程序如下：clearformat longlam0=0.532;%um,%----------------记录--------------------k0=2*pi/lam0;n=1.68;k=n*k0;d=40;%um 厚度n0=n;%曝光后的平均折射率n1=0.003;%折射率调制度alpha0=0;%平均折射率虚部alpha1=0;%折射率虚部调制度couple_mode='prism'; % couple_mode='air';beta=[-50 3];beta1=beta(1);beta2=beta(2);%左侧入射为beta1，右侧为beta2 +z朝右 +x朝上switch couple_modecase 'air'beta1_media=asind(sind(beta1)/n);beta2_media=asind(sind(beta2)/n);k1=k*[cosd(beta1_media) sind(beta1_media)];%[z x]k2=k*[cosd(180+beta2_media) sind(180+beta2_media)];K=k1-k2;case 'prism'beta1_media=beta1;beta2_media=beta2;k1=k*[cosd(beta1_media) sind(beta1_media)];k2=k*[cosd(180+beta2_media) sind(180+beta2_media)];K=k1-k2;endnorm_K=norm(K);lam_p0=0.535; %--------衍射过程-----------kp0=2*pi/lam_p0;kp=n0*kp0;uni_norm_vec=[1 0];theta_pin=(-30:0.1:30)';theta_p=asind(sind(theta_pin)/n0);%介质外部入射到内部---------------kp_vec=kp*[cosd(theta_p) sind(theta_p)];for ii=1:length(theta_pin)kp_vec_ii=[kp_vec(ii,1),kp_vec(ii,2)];kappa_TE=n1/n0/2*kp-1j*alpha1/2;%TE wave %--coupled wave theory--- kappa=kappa_TE;zeta=(2*dot(kp_vec_ii,K)-norm_K^2)/(2*kp);cs=dot((kp_vec_ii-K),uni_norm_vec)/kp;%衍射光方向余弦，以+z为起始轴cr=dot(kp_vec_ii,uni_norm_vec)/kp;%入射光方向余弦，以+z为起始轴gamma1=-1/2*(alpha0/cs+alpha0/cr+1j*zeta/cs)...+1/2*sqrt((alpha0/cr-alpha0/cs-1j*zeta/cs)^2-4*kappa^2/(cr*cs));gamma2=-1/2*(alpha0/cs+alpha0/cr+1j*zeta/cs)...-1/2*sqrt((alpha0/cr-alpha0/cs-1j*zeta/cs)^2-4*kappa^2/(cr*cs));E_refl_1order=-1j*kappa/(alpha0+1j*zeta+...cs*(gamma1*exp(gamma2*d)-gamma2*exp(gamma1*d))/(exp(gamma2*d)-exp(gamma1*d))...);E_refl_0order=cs*(gamma1-gamma2)*...((alpha0+1j*zeta+cs*gamma1)*exp(-gamma1*d)-...(alpha0+1j*zeta+cs*gamma2)*exp(-gamma2*d)...)^-1;eta_refl_1order(ii,1)=real(abs(cs)/cr*E_refl_1order*conj(E_refl_1order));%前面的因子是由于入射光和衍射光角度不同带来的因子，与投影面积相关eta_refl_0order(ii,1)=E_refl_0order*conj(E_refl_0order); %透射光和入射光角度相同，故没有投影面积的变换问题end找极大位置和半高全宽位置:posi_peak=find(eta_refl_1order==max(eta_refl_1order));%极大值位置halfMax=eta_refl_1order(posi_peak)/2;temp=abs(eta_refl_1order-halfMax);posi_halfMax(1)=find(temp==min(temp));if posi_halfMax(1)>posi_peaktemp(posi_peak:end)=1;elseif posi_halfMax(1)<posi_peaktemp(1:posi_peak)=1;endposi_halfMax(2)=find(temp==min(temp));posi_halfMax=sort(posi_halfMax,2);FWHM=theta_pin(posi_halfMax(2))-theta_pin(posi_halfMax(1))plot(theta_pin,eta_refl_1order)grid onxlabel('入射角 deg')ylabel('DE')。