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红外 1994年第5期 27-27页

作者：高

本专利介绍一种集成光学光束偏转器,为了获得宽的偏转角范围,该光束偏转器中使用了一个光栅耦合器和两个或四个声光转换器。一个光栅耦合器用于将输入光束引入到波导中,而另一

关键词：光栅耦合器光束偏转器

基于介质超表面的宽谱、大偏转角近红外光束偏转器

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光学精密工程 2020年第9期28卷 1873-1880页

作者：程宏李洪涛韩彦军孙长征郝智彪熊兵汪莱王健余佳东清华大学电子工程系北京信息科学与技术国家研究中心北京100084 浙江清华柔性电子技术研究院柔性智能光电子技术研究所浙江嘉兴314006 清华大学柔性电子技术研究中心北京10084

设计了一种适合集成的基于介质超表面的透射式光束偏转器,可在1550 nm附近的红外波段实现大角度偏转,同时具有宽光谱、高效率的优势。根据广义斯涅尔定律设计并优化了光束偏转器的结构,由横截面为梯形的非晶硅纳米柱周期性排列在石英玻... 详细信息

设计了一种适合集成的基于介质超表面的透射式光束偏转器,可在1550 nm附近的红外波段实现大角度偏转,同时具有宽光谱、高效率的优势。根据广义斯涅尔定律设计并优化了光束偏转器的结构,由横截面为梯形的非晶硅纳米柱周期性排列在石英玻璃衬底上构成,相比于传统超表面采用多个纳米柱实现离散的相位梯度,梯形纳米柱形成的连续相位梯度可以获得更好的偏转特性。利用时域有限差分算法对光束偏转器的效率、偏转角、宽光谱和入射角度依赖性等性能进行了仿真分析,采用电子束光刻等工艺制备加工出上述器件并进行了测试。仿真结果表明偏转器在1350~1650 nm波段均具备良好的偏转特性,平均透射率高于87%,平均偏转率为81%;器件在1550 nm处实现了42.8°的大偏转角,透射率为84%,偏转率为80%,且允许入射角度在-10°~5°变化。实验测试结果表明对于1550 nm波长,光束偏转角度在41°附近,器件透射率约为76%,约35%的入射光偏转到目标角度。上述方案为近红外超表面器件的设计提供了新的思路,实现了效率、偏转角和适用波长的优化,透射式光路更加适合集成,应用潜力更大。

关键词：近红外宽光谱、大偏转角光束偏转器介质超表面梯形纳米柱

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基于U型结构超构表面的光束偏转器和超透镜研究

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激光与光电子学进展 2022年第19期59卷 323-329页

作者：任芝李文雯林俊哲常斯琦李松涛华北电力大学数理系河北保定071003

利用超表面实现对光的操控是光学领域的研究热点之一。设计了一种U型单元结构,通过将结构以斜对称的方式放置并改变结构的几何参数,实现了透射光从0到2π的相移;采用线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光作为入射光,通过结构优化实现了具... 详细信息

利用超表面实现对光的操控是光学领域的研究热点之一。设计了一种U型单元结构,通过将结构以斜对称的方式放置并改变结构的几何参数,实现了透射光从0到2π的相移;采用线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光作为入射光,通过结构优化实现了具有偏振不依赖性的光束异常折射的光束偏转器,其折射角为22.4°,并探讨了超透镜的功能,为超表面的应用提供了参考。

关键词：表面光学超表面光束偏转器超透镜偏振不依赖性

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基于平移重构超表面的全方位光束偏转器研究

基于平移重构超表面的全方位光束偏转器研究

作者：邓文俊电子科技大学

学位级别：硕士

电磁波束指向的快速调控在通信、目标探测、医疗检测等领域有着重要的作用。如今,在微波和毫米波波段已经实现了大视场角(Field of View,FOV)的快速波束扫描设备。然而在光学波段,无论是目前已成功开发的光学相控阵(Optical Phase Array... 详细信息

电磁波束指向的快速调控在通信、目标探测、医疗检测等领域有着重要的作用。如今,在微波和毫米波波段已经实现了大视场角(Field of View,FOV)的快速波束扫描设备。然而在光学波段,无论是目前已成功开发的光学相控阵(Optical Phase Array,OPA)和空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)还是基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的MEMS微振镜都未能很好权衡调制速率与扫描视场角。而超表面的高集成、平面化以及高设计自由度等特点,同时在加工制备方面兼容如今成熟的半导体工艺,使其可用于设计高速调制器件。因此,本文在10.6μm的工作波长下基于超表面设计了一种高速平面内驱动的大视场角光束偏转器,并通过实验成功验证其功能。主要工作包括以下几个部分:1.从理论方面设计了平移重构的超表面光束偏转器的空间相位分布函数,并通过数值仿真软件对所设计相位分布函数进行波动光学仿真以验证设计的可行性。利用基于FEM的商用软件COSMOL在10.6μm入射光条件下进行单元结构数据库的建立和参数的精细化扫描。通过对比几种不同类型结构的幅度相位调制特性,选取了旋转对称性最高的圆柱型结构设计所述超表面阵列。其中,结构与基底的材料均为单晶硅,圆柱直径为1.6-3.4μm,高度为6.5μm。2.设计了两种不同参数的超表面光束偏转器用以测试视场角和调制速率。同时,第一种参数与第二种参数设计下的光束偏转器在偏折角达到65.6°时所需理论位移分别为1275μm和911μm,可用以证明光束偏转角度可通过相位曲面参数控制。探索了两种超表面阵列的设计方案并分析了两种方法的优势与局限。通过半导体加工工艺对所设计的超表面阵列进行加工制备,得到了与理论设计参数接近的超表面样品。3.设计了实验方案并搭建了测试平台,在10.6μm的CO激光下对两组超表面光束偏转器样品进行视场角测试,获得了视场角为131.2°×131.2°的实验数据。将实验所测得偏折角与实际位移量的关系与理论计算进行对比发现,理论计算与实验基本符合且误差在5%以下。4.利用信号发生器和电压驱动器加载不同频率的方波电压信号到压电陶瓷上使得超表面发生周期性的平面内位移从而实现透射光束在空间中的扫描,该扫描过程可通过碲镉汞探测器探测,并在实验中获得了6k Hz的光束扫描速率。

关键词：重构超表面 MEMS 光束偏转器激光雷达光学相控阵

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导波光束偏转器的双稳态特性

光学学报 1983年第8期 685-690页

作者：李玉善林盛强金锋王永兴中国科学院长春物理研究所长春市第一光学仪器厂

利用LiNbO;波导电光棱镜,验证了导波光束偏转器的双稳态特性.对此,利用调制特性曲线的高斯函数模型,作了必要的理论分析,与测量结果基本相符.

关键词：高斯函数调制特性稳态特性静态特性导波表面波光束偏转器光波导特性曲线赫德曲线狭缝宽度高斯型滞后回线双稳态光学衰减器光强度

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20级数字光束偏转器的设计和性能

国外信息显示 1973年第4期 42-47页

作者： H.Meyer 刘洪举

本文给出20级数字光束偏转器的光学设计考虑和实验结果,这个偏转器由一系列硝基苯克尔盒和双折射方解石棱镜组成。激光束偏转成1024×1024个点的二维光栅,偏转速率为500KH2。偏转器本身对绿色激光的透过率是79％。给出了背景光和分辨率... 详细信息

本文给出20级数字光束偏转器的光学设计考虑和实验结果,这个偏转器由一系列硝基苯克尔盒和双折射方解石棱镜组成。激光束偏转成1024×1024个点的二维光栅,偏转速率为500KH2。偏转器本身对绿色激光的透过率是79％。给出了背景光和分辨率的数据,以及字母数字和图表显示的实例。

关键词：光束偏转器图表远心字母书籍结构透镜系统背景光

利用液相外延磁性石榴石薄膜的激光光束偏转器

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兵器激光 1980年第3期 42-46页

作者：翟清永 209所

介绍了一种新型的利用液相外延石榴石薄膜的激光光束偏转器。其操作是基于激光束的衍射角随平行带状磁畴的间距而变,而这一间距可用外加磁场控制。提出了两个控制磁畴间距的方法,即利用平行于薄膜面的磁场和垂直于膜面的磁场,同时附有... 详细信息

介绍了一种新型的利用液相外延石榴石薄膜的激光光束偏转器。其操作是基于激光束的衍射角随平行带状磁畴的间距而变,而这一间距可用外加磁场控制。提出了两个控制磁畴间距的方法,即利用平行于薄膜面的磁场和垂直于膜面的磁场,同时附有无磁滞的高频磁场。磁畴最大间距与最小间距的比为1.1～1.8,衍射效率为0.002～0.08%,衍射角的控制范围为3.2～2.2度。

关键词：石榴石薄膜光束偏转器液相外延平行带直流磁场激光磁性

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

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光学技术 2004年第1期30卷 3-5,8页

作者：冯迪严瑛白金国藩邬敏贤刘海涛谭峭峰清华大学精密仪器系北京100084

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方... 详细信息

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。

关键词：衍射光学器件亚波长结构电磁计算模式光束偏转器优化算法有限差分方法

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基于全介质超表面的光学器件设计与研究

基于全介质超表面的光学器件设计与研究

作者：辛雪倩西安电子科技大学

学位级别：硕士

超表面是超材料的二维表现形式,具有超薄特性,能有效地控制光在透射或反射模式下的相位、振幅和偏振。在光学系统小型化、集成化的发展趋势下,由于传统的光学元件存在体积大、成本高、工序复杂等缺点,超表面元件凭借其超薄特性有望取代... 详细信息

超表面是超材料的二维表现形式,具有超薄特性,能有效地控制光在透射或反射模式下的相位、振幅和偏振。在光学系统小型化、集成化的发展趋势下,由于传统的光学元件存在体积大、成本高、工序复杂等缺点,超表面元件凭借其超薄特性有望取代传统光学元件。其中,全介质超表面具有较高的传输效率且大多由半导体材料构成,所以这种超表面在实际的生产应用中有着巨大的潜力。近年来,超表面大多是基于几何相位进行设计,通过调节超表面上结构单元的旋转角度对圆偏振光进行相位调制,但是在得到圆偏振光的过程中光的能量会有一定的损失。基于传输相位的纳米微元,本文设计了一组由非金属材料构成的全介质超表面器件,主要用于实现对线偏振光的偏折和非偏振光的聚焦,仿真计算结果表明基于传输相位的纳米微元对透过的光可以进行相位调制。本文主要研究内容如下:（1）基于硅和二氧化硅的材料参数,设计了把硅纳米柱放置在二氧化硅基底上的结构单元,利用时域有限差分法对结构单元进行了仿真,得到了工作波长下相位和透射率随纳米柱半径的变化。利用仿真计算结果,设计了两种近红外波段下的高效率透射式波前控制装置,分别为反常光束偏转器和偏振不敏感超透镜,通过理论分析和数值仿真对这两种器件的性能进行了研究。（2）利用广义斯涅尔折射定律设计的异常折射光束偏转器可以使垂直基底入射的光发生偏转,本文以12个结构单元构成的偏转器为例进行了设计和优化,理论计算的偏转角为12.1°,优化后的一维光束偏转器出射光束偏转了12.02°,传输效率较高,可以达到80%。利用优化后的结构单元设计了二维光束偏转器,偏转效果比较理想,结果表明基于传输相位型超表面设计的光束偏转器可以使线偏振光发生偏折。（3）基于硅纳米柱设计了不同焦距的偏振不敏感超透镜,尺寸为30.5μm*30.5μm,由2500个结构单元构成,透镜焦距分别设计为77.276μm、37.4755μm时,衍射极限分别为4.79138μm、2.46635μm,仿真计算得到聚焦光斑水平剖面的半峰全宽分别为4.8102μm、2.5021μm,两个透镜几乎都可以实现衍射极限聚焦,说明基于相位传输型超表面设计的超透镜具有相位调制能力,可以使非偏振光产生几乎与衍射极限相同的聚焦效果。综上,本文基于传输相位型全介质超表面对光束偏转器和超透镜的性能进行了深入的研究,这些器件在红外成像、小型化光电系统等领域具有巨大的应用潜力,对全介质超表面光学器件的发展和应用具有积极的作用。

关键词：超表面相位调制光束偏转器光场调控超透镜

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基于机器学习的硅基光子器件逆向设计研究

基于机器学习的硅基光子器件逆向设计研究

作者：黄琼龙华中科技大学

学位级别：硕士

机器学习技术应用于光子器件设计领域,可以极大提高光子器件的设计效率。本论文使用机器学习技术进行光子器件的设计,提出了三种设计方案:一种包含二值化激活函数的级联神经网络设计方案、一种利用正向卷积神经网络和遗传算法结合的光... 详细信息

机器学习技术应用于光子器件设计领域,可以极大提高光子器件的设计效率。本论文使用机器学习技术进行光子器件的设计,提出了三种设计方案:一种包含二值化激活函数的级联神经网络设计方案、一种利用正向卷积神经网络和遗传算法结合的光子器件设计方法、以及一种全空间光场预测的方法。分别设计完成了功率分支器、超表面光束偏转器以及器件的全空间光场预测。本论文的主要工作如下:（1）提出了一种包含二值化激活函数层的级联神经网络结构,并用该结构完成了功率分支器的设计。二值化激活函数的使用可以直接设计出数字型的器件结构,避免了传统二值化方案造成的器件性能损失。本论文使用该方案设计完成了功率分支比为1:1、1:2、2:1、1:3、1:4等不同比例的功率分支器,神经网络训练完成之后,每次设计只需数秒钟,相比传统逆向设计方法效率提升4-5个数量级。（2）提出了一种正向卷积神经网络和遗传算法相结合的设计方法,并用该方法完成了超表面光束偏转器的设计。这种方法可以很好的避免直接训练逆向网络会出现的“一对多”问题,可以得到较为精确的结果。本论文使用该方法分别完成了给定光场实部虚部和给定偏转角度的超表面光束偏转器的设计,设计效率较传统逆向设计方法提升3-4个数量级。（3）使用一种类似U-net结构的网络进行器件全空间光场的预测。器件性能可以通过器件全空间的光场计算得到,训练神经网络进行器件全空间光场预测,可以解决之前因设计目标不同而需要训练数十个不同网络的问题,极大提高数据利用率。本文采用残差U-net结构的神经网络方案,对光分束器全空间光场进行了预测,预测结果与仿真结果达到95%以上相似度,为进一步利用空间光场预测进行光子器件设计奠定了基础。

关键词：硅基光子器件设计机器学习功率分支器光束偏转器空间光场预测遗传算法