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可见光宽入射角度金属偏振分束光栅的消光比特性研究

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光子学报 2023年第12期52卷 89-98页

作者：孙国斌张锦季雪淞胡驰蒋世磊刘严严西安工业大学光电工程学院西安710021 电磁空间安全全国重点实验室天津300308

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析,利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以... 详细信息

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析,利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以及光波长和入射角度等参数对偏振特性的影响。结果表明:当Al光栅占空比为0.5,周期为0.15μm,光栅脊高度为0.15μm时,在0.4~0.7μm波段和45°±10°入射角范围内,该金属偏振光栅对TM波高透射,对TE波高反射,光栅透射消光比平均35 dB,反射消光比平均12 dB,最后对制作的金属偏振光栅进行消光比测量,验证了设计结果的正确性。该研究结果对设计和制备高衍射效率、高消光比、宽波段宽入射角度范围的偏振分束器具有较好的实践指导价值。

关键词：亚波长金属光栅偏振分束等效介质理论严格耦合波理论时域有限差分法

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等离激元增强金属-硅组合微结构近红外吸收

光学学报 2020年第21期40卷 156-162页

作者：杨柳蒋世磊孙国斌杨鹏飞季雪淞张锦西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78~2.50μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al2O3介质层的方法,利用FDTD软件仿真研... 详细信息

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78~2.50μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al2O3介质层的方法,利用FDTD软件仿真研究不同的组合结构及颗粒的直径对光吸收率的影响,分析不同的工作波长下组合结构中特征截面的光强分布。实验结果表明,当光栅线/间比为1∶1、周期为1μm、周期凹槽内放置两层直径为0.25μm的金属Ag颗粒、且凹槽内金属颗粒上方填充覆盖Al2O3介质层时,该组合微结构在近红外波段范围内的平均吸收率理论上可达到0.463,实现吸收增强的效果。在光电转换器件的应用方面,金属颗粒-硅光栅-介质层组合微结构可以增强光吸收,进而提高光电转换效率。

关键词：表面光学光吸收增强近红外吸收金属-硅栅-匹配介质层组合结构表面等离激元

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全息波导耦合元件对称结构的研究

激光与光电子学进展 2020年第15期57卷 197-204页

作者：王玉瑾张锦蒋世磊孙国斌季雪淞西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与... 详细信息

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。

关键词：光学器件全息波导全息光栅体全息光栅平板波导

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用于平板波导显示的反射型体全息光栅制备

激光与光电子学进展 2022年第3期59卷 78-85页

作者：杨柳蒋世磊季雪淞张锦王玉瑾孙国斌西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究,采用双光束干涉法和相应的后处理工艺,在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅,并研究了不同曝光强度、折射率调制度、... 详细信息

基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究,采用双光束干涉法和相应的后处理工艺,在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅,并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响。实验结果表明,经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理工艺,最终制备的反射型体全息光栅衍射效率最高可达到61.8%,在可见光入射条件下产生了明显的分光效果。制备的全息实验样片在满足全反射的前提下可进行波导传输,为提高头戴式设备和增强现实等显示设备在传输过程中的衍射效率提供了一种新方法。

关键词：光栅微纳光学反射型体全息光栅平板波导衍射效率干涉

用于1550nm吸收增强的微纳阵列复合结构设计

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激光与光电子学进展 2021年第7期58卷 116-123页

作者：季雪淞张锦杨鹏飞孙国斌蒋世磊杨柳西安工业大学光电工程学院陕西西安710021

为了增强通信系统中光电探测器件对波长为1550 nm的光的吸收,提出一种包含硅栅、纳米银球和缓冲层的微纳复合结构。借助金属表面等离子激元共振局域场增强效应,以及硅栅的陷光效应和耦合作用,可以提高复合微纳阵列结构对光的吸收。利用... 详细信息

为了增强通信系统中光电探测器件对波长为1550 nm的光的吸收,提出一种包含硅栅、纳米银球和缓冲层的微纳复合结构。借助金属表面等离子激元共振局域场增强效应,以及硅栅的陷光效应和耦合作用,可以提高复合微纳阵列结构对光的吸收。利用时域有限差分法计算仿真光经过填充银纳米球和氧化铝的硅栅复合微结构阵列后的光场分布,分析硅柱阵列占空比、硅柱边长、高度以及填充物等对吸收性能的影响。仿真结果表明,当硅栅等线或等间隔、硅柱边长为800~1000 nm、硅柱间隙内填充纳米银球的直径为间隙宽度的一半且铺满间隙底部并覆盖氧化铝时,复合结构的吸收率随着硅柱阵列周期和柱高的不同能够达到0.2288~0.5753,对波长为1550 nm的近红外光具有显著增强吸收的作用。

关键词：光栅近红外吸收表面等离子激元共振场增强金属-硅栅复合微结构