若干亚波长光栅的设计与应用

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1、．DesignandApplicationsofSomeSubwavelengthGratings．JunWuADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyinOpticalEngineeringShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics，CASMay,2013独创性声明本人声明所呈

2、的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究工作所做的任何贡献，均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名；墨』坌签字日期：知j3年f月岁。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子

3、文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：夏後签字日期：函13年j月．23日学位论文作者毕业去向：工作单位：通信地址：指导教师签名：夕飒节万签字日期：2-脾j--月jo日电子邮件地址：电话：邮编：中科院上海光机所研究生毕煅／2013年若干亚波长光栅的设计与应用吴俊导师：周常河研究员摘要光栅作为最基本的一种周期性微纳结构，已经被广泛地研究和应用

4、。目前，随着微纳加工技术和数值模拟技术的不断进步，对光栅的研究已经发展到一个新的高度，它脱离了单个器件的研究范畴，而逐渐与其它器件相结合，形成了许多新颖的光学器件。本论文针对目前快速发展的亚波长光栅方向，主要讨论了以下几个方面的研究工作：1)基于双脊融石英光栅的分束器的设计与分析。针对800nm的波长，设计了TE偏振光垂直入射时的双脊融石英光栅l×5和1×7分束器。这两个分束光栅的平均衍射效率高于95％，一致性优于2％，衍射效率比传统的达曼光栅高了近15％。同时利用简化模式方法来定性解释所设计分束器衍射的物理本质。首先我们理论推

5、导了双脊光栅的模式本征方程，并计算了1×5和1×7分束器的本征模。然后，计算了分束器的重叠积分和模式传播常数，通过对它们的分析，我们发现，仅仅有一些光栅模和衍射级次参与能量交换，因而通过少数几个光栅模，就可以分析衍射的物理本质。简化模式方法给出了垂直入射时分束器衍射的物理图像，对今后发展基于双脊光栅的器件有一定的指导意义。2)导模谐振光栅的简化模式分析。提出了用于解释非对称覆盖的导模谐振光栅的简化模式分析，我们发现，它的谐振是由于光栅区域内的两个纵向光栅传播模的相互作用所引起。首先，比较了模式方法与傅里叶模态法的反射光谱和电场分

6、布，并分析了高阶倏逝模对谐振峰的影响，发现简化模式方法和傅里叶模态法得出的结果符合地很好，这也证实了所提出方法的有效性。其次，基于所提出的简化模式方法，提出了矩阵Fabry—Perot谐振条件，用于估算谐振波长，并在最后提出并验证了Fabry．Perot谐振相位条件。所提出的简化模式方法，给出了导模谐振光栅谐振的物理本质，为后续解释复杂结构的谐振光栅的谐振现象有一定的指导意义。3)薄膜非晶硅太阳能电池的增强吸收现象。从理论上研究了基于导模谐振效应的薄膜非晶硅太阳能电池的增强吸收现象，它是通过将一个单脊光栅或双脊光栅加上波导层作为

7、太阳能电池的吸收层来实现。这两种结构的太阳能电池的平若干亚波长光栅的设计与应用，吴俊均积分吸收效率均有很好的角度无关性，一般来说，基于双脊光栅的太阳能电池比基于单脊光栅的有更好的光学性能。接着，我们定性地分析了基于导模谐振效应和双脊光栅结构的增强吸收的物理本质。为了进一步的减小反射和增加吸收，我们详细地探讨了减反光栅结构在太阳能电池中的应用。当加入减反光栅结构后，太阳能电池的平均积分吸收效率有着更大的角度无关性，远远优于无减反光栅结构和平板非晶硅薄膜加减反光栅结构的太阳能电池。所设计的基于单脊光栅或双脊光栅的太阳能电池，有着较小

8、的吸收层厚度和高的积分吸收效率并且大的角度无关性，可以广泛应用于薄膜光伏、光探测器和红外成像等领域。所利用的融合了GMR效应、双脊光栅结构和减反光栅结构的设计理念可以用于指导新型的光栅基器件的设计。4)金属光栅基器件的吸收效应。研究了金属光栅基器件的吸收效应，主