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光学薄膜三阶非线性效应及应用研究进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：史宏宇董典浩汲小川焦宏飞张锦龙程鑫彬王占山同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所同济大学先进微结构材料教育部重点实验室

光学非线性效应是指材料对光的响应随光强度增强而非线性变化的现象。随着激光技术的发展，光强逐渐增强使光学系统中的元件的非线性效应更加明显。光学薄膜是由高低折射率的材料堆叠而成的光学元件，因其调控灵活性、易于制造和集成化... 详细信息

光学非线性效应是指材料对光的响应随光强度增强而非线性变化的现象。随着激光技术的发展，光强逐渐增强使光学系统中的元件的非线性效应更加明显。光学薄膜是由高低折射率的材料堆叠而成的光学元件，因其调控灵活性、易于制造和集成化的特点在现代光学系统中起着至关重要的作用。因此光学薄膜中的非线性效应成为了一个值得深入研究的领域。本文围绕光学薄膜的克尔效应、非线性吸收效应和三倍频效应，对现有研究中的物理机制、测量表征技术，以及调控策略和应用实例进行了回顾和讨论，并对光学薄膜三阶非线性效应的进一步研究进行了展望。

关键词：光学薄膜非线性效应 Z扫描技术三倍频镜

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基于针法的平板偏振膜设计

光学学报 2010年第2期30卷 590-596页

作者：陈乃波吴永刚凌磊婕焦宏飞王振华同济大学物理系上海200092 浙江工业大学之江学院理学系浙江杭州310024

利用针(needle)法优化技术,分别以两种不同厚度的高折射率单层膜为初始膜系,设计得到了平板偏振膜。当入射角为56°时,在中心波长1053 nm附近不小于20 nm的带宽范围内,偏振膜的p光反射率Rp99.5%,且消光比(Tp/Ts)>200。角度特性分析结果... 详细信息

利用针(needle)法优化技术,分别以两种不同厚度的高折射率单层膜为初始膜系,设计得到了平板偏振膜。当入射角为56°时,在中心波长1053 nm附近不小于20 nm的带宽范围内,偏振膜的p光反射率Rp99.5%,且消光比(Tp/Ts)>200。角度特性分析结果表明,在入射角由53°增大至59°的过程中,两偏振膜的光学性能均满足设计要求,但偏振带却向短波长方向发生了移动,且带宽增大。根据蒙特卡罗容差分析,在各膜层膜厚误差独立的监控方式下,要保证成品率高于90%,则两偏振膜的最大容许膜厚标准偏差分别为1.20%和1.35%。

关键词：薄膜光学平板偏振膜设计针法容差分析

基于光子晶体带隙特性的反射式多通道滤光片设计

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光学学报 2014年第2期34卷 304-310页

作者：贺芝宇焦宏飞程鑫彬张锦龙王占山先进微结构材料教育部重点实验室上海200092 同济大学精密光学工程技术研究所上海200092

反射式多通道滤光片在光学通讯、光学成像、遥感高光谱等方面有着重要的应用。利用含缺陷一维光子晶体独特的带隙特性,依据其相应的能带理论,设计了一种由金属和介质组成的反射式多通道滤光片。这种滤光片通道的工作范围由光子带隙理论... 详细信息

反射式多通道滤光片在光学通讯、光学成像、遥感高光谱等方面有着重要的应用。利用含缺陷一维光子晶体独特的带隙特性,依据其相应的能带理论,设计了一种由金属和介质组成的反射式多通道滤光片。这种滤光片通道的工作范围由光子带隙理论计算得到,通道个数由"光子晶体"缺陷的周期数决定,通道的位置利用等效相位厚度的方法确立。相对于传统的以经验为主的反射式多通道滤光片设计方法,这种基于光子晶体的带隙理论的设计能够从"光子"的角度给出此类反射式滤光元件的设计思路和理论解释。

关键词：薄膜反射式滤光片光子带隙窄带多通道金属

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121.6 nm远紫外高反射薄膜研究

光学学报 2020年第9期40卷 220-226页

作者：王金艳张锦龙焦宏飞程鑫彬同济大学物理科学与工程学院精密光学工程研究所上海200092 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

远紫外波段高反射薄膜的研究具有重要应用价值。为了实现高反射率,采用高温三步蒸发法沉积MgF2膜以保护Al膜,制备了远紫外宽带高反射薄膜,并对样品进行退火处理。结果显示,改进制备工艺和退火工艺后,紫外宽带高反射薄膜在121.6 nm处的... 详细信息

远紫外波段高反射薄膜的研究具有重要应用价值。为了实现高反射率,采用高温三步蒸发法沉积MgF2膜以保护Al膜,制备了远紫外宽带高反射薄膜,并对样品进行退火处理。结果显示,改进制备工艺和退火工艺后,紫外宽带高反射薄膜在121.6 nm处的反射率高达90%,接近理论设计值。同时分析了散射损耗的影响。采用优化的LaF3/MgF2膜系结构,制备了窄带反射滤光薄膜,其在中心波长122.5 nm处的峰值反射率为75%且半峰全宽为8 nm,达到了理论设计的预期效果,但退火处理损伤了薄膜表面,散射损耗增加,薄膜反射率下降。

关键词：薄膜远紫外反射薄膜真空退火

基频HfO_2/SiO_2高反射薄膜激光损伤生长特性

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强激光与粒子束 2013年第9期25卷 2275-2280页

作者：张艳云马彬马宏平焦宏飞程鑫彬同济大学精密光学工程技术研究所上海200092 先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

以1064nm波长作用下的HfO2/SiO2高反射薄膜为研究对象,研究了高反射薄膜在损伤生长过程中分层剥落初始损伤结构的变化规律、损伤形貌特征和损伤生长阈值等特性。实验结果表明:分层剥落初始损伤结构的横向尺寸随激光能量密度的增加呈分... 详细信息

以1064nm波长作用下的HfO2/SiO2高反射薄膜为研究对象,研究了高反射薄膜在损伤生长过程中分层剥落初始损伤结构的变化规律、损伤形貌特征和损伤生长阈值等特性。实验结果表明:分层剥落初始损伤结构的横向尺寸随激光能量密度的增加呈分段线性增长,破斑沿纵向拓展的损伤生长阈值是沿横向拓展的损伤生长阈值的2倍以上,初始损伤结构横向尺寸的生长率与能量密度呈指数关系,且生长阈值随着辐照次数的增加显著降低。

关键词： HfO2 SiO2高反射薄膜分层剥落损伤生长激光损伤阈值横向尺寸

Light trapping enhancement in thin f ilm silicon solar cells with dif ferent front and back grating periodicities

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Chinese Optics Letters 2013年第12期11卷 6-8页

作者：刘仁臣夏子英吴永刚焦宏飞梁钊铭周建 Institute of Precision Optical Engineering Tongji University

Dual-grating structure thin-film silicon solar cells with different front and back grating periodicities are designed The geometrical parameters of both gratings are investigated. The reflection is greatly reduced by the front grating, whereas the absorption in the long wavelength is increased because of the back grating. The short circuit current of the combined structure is enhanced by 16.8% for a 1μm thick c-Si layer compared with that of the conformal grating structure. The short circuit current can be further increased by creating a relative lateral displacement between the front and back gratings. The displacement results in a more remarkably enhaneed absorption when the thickness of the aetive layer is reduced, indicating its importance in the design of ultra-thin high-efficiency solar cells.

关键词： Diffraction gratings

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层叠亚波长光栅中的模式匹配分析法

光学学报 2020年第12期40卷 44-52页

作者：张锦龙史帅凯焦宏飞程鑫彬同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所上海200092

模式匹配分析法是计算亚波长光栅衍射效应的一种高效方法。对于亚波长层叠光栅,相邻的不同介质层边界处电磁场切向分量连续,每层中电磁场的各个波导模式对该层中电磁场的贡献与相邻层中电磁场切向分量的贡献相等,相邻层间模式匹配,故可... 详细信息

模式匹配分析法是计算亚波长光栅衍射效应的一种高效方法。对于亚波长层叠光栅,相邻的不同介质层边界处电磁场切向分量连续,每层中电磁场的各个波导模式对该层中电磁场的贡献与相邻层中电磁场切向分量的贡献相等,相邻层间模式匹配,故可将模式匹配分析法应用于亚波长层叠光栅中。通过具体实例比较了由模式匹配分析法与严格耦合波分析法计算得到的光栅衍射效率和电磁场强度分布,对比结果表明模式匹配分析法在分析亚波长层叠介质光栅方面相较于严格耦合波分析法更为高效,在收敛性以及计算速度方面有着独特的优势,且对于深刻理解层叠光栅对电磁波的衍射效应以及结合优化方法设计新型亚波长光栅、新型超表面方面具有重要意义。

关键词：光纤光学层叠亚波长光栅模式匹配分析法严格耦合波分析导模共振

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纳秒脉冲激光诱导的金属膜喷发的分布特征

红外与激光工程 2021年第11期50卷 329-336页

作者：马彬韩佳岐王可黄秋实焦宏飞管爽同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所上海200092 先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

大功率纳秒脉冲激光辐照金属膜层时会发生热力损伤,产生的高温和高压会引起金属膜层的热蒸发,从而向外喷射颗粒,大多数喷射粒子处于原子和离子状态。在能量色散光谱分析测试中,文中使用多组标准样品进行比较实验,校准测试结果,并给出了... 详细信息

大功率纳秒脉冲激光辐照金属膜层时会发生热力损伤,产生的高温和高压会引起金属膜层的热蒸发,从而向外喷射颗粒,大多数喷射粒子处于原子和离子状态。在能量色散光谱分析测试中,文中使用多组标准样品进行比较实验,校准测试结果,并给出了一种根据结果计算沉积原子数的估计方法。此外,在此基础上比较了不同真空度的真空环境和大气环境下铝膜喷发的差异,并且对比了不同熔点的金属膜的喷发及空间分布特征。通过结合泵探测技术捕获的瞬态图像,进一步分析和解释了实验结果。

关键词：纳秒脉冲激光金属膜真空材料喷射蒸发

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几种紫外薄膜材料的光学及损伤特性分析

红外与激光工程 2014年第4期43卷 1230-1234页

作者：张乾焦宏飞程鑫彬马彬季一勤先进微结构材料教育部重点实验室同济大学上海200092 精密光学工程技术研究所同济大学物理科学与工程学院上海200092 天津市薄膜光学重点实验室天津津航物理技术研究所天津300192

为进一步改善大型固体激光器3倍频用薄膜的光学及损伤特性,利用不同的测试方法系统对比研究了电子束蒸发方式制备的几种紫外薄膜的光学常数、晶体结构、表面粗糙度以及弱吸收和其激光损伤特性间的相互关系。研究表明:薄膜的弱吸收和其... 详细信息

为进一步改善大型固体激光器3倍频用薄膜的光学及损伤特性,利用不同的测试方法系统对比研究了电子束蒸发方式制备的几种紫外薄膜的光学常数、晶体结构、表面粗糙度以及弱吸收和其激光损伤特性间的相互关系。研究表明:薄膜的弱吸收和其禁带宽度共同制约了其激光损伤阈值,而薄膜因晶相结构的产生而增大的表面粗糙度对其激光损伤阈值无影响。大弱吸收的薄膜其损伤表现为非常微小的吸收点向外扩张构成的较大的破坏点,而低弱吸收的薄膜其损伤则表现为瞬间吸收引起大的损伤。

关键词：薄膜光学性能激光损伤