基于全息工艺的特种光栅的制备与应用研究.pdf

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1、中图分类号：O439基于全息工艺的特种光栅的制备与应用研究光学工程凌进中庄松林教授二○一三年十二月学校代码：10252学号：111250015上海理工大学博士学位论文基于全息工艺的特种光栅的制备与应用研究姓名凌进中系别光电信息与计算机工程学院专业光学工程研究方向微纳光学器件指导教师庄松林教授张大伟教授学位论文完成日期2013年12月IIRESEARCHONFABRICATIONANDAPPLICATIONSOFSPECIALHOLOGRAPHICGRATINGSbyLingJin-zhongADissertationSubmittedtoUniversityofShangha

2、iforScience&TechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyUndertheSupervisionofProfessorZhuangSong-linUniversityofShanghaiforScience&TechnologyDecember2013学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论文的全部

3、内容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和汇编本学位论文。保密年□本学位论文属于不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要全息光栅是一种广泛应用于光谱仪器的分光器件，也是光谱仪器的核心器件。光栅分光能力将直接制约着光谱仪器的分辨本领。就目前

4、国内光谱仪器高端市场主要为国外品牌所垄断的现状，积极研发具有自主知识产权的高性能分光器件的经济价值十分突出。本论文依托于国家重大科学仪器开发专项--高性能光谱仪器关键元器件与部件的应用及工程化开发（2011YQ15004004），以傅里叶合成曝光为基础，重点研究特种全息光栅（包括全息中阶梯光栅，亚波长金属线栅）的全息制作工艺，并理论研究了双层金属线栅结构的偏振特性及其潜在的应用。作为高端光谱仪器的核心分光器件，目前中阶梯光栅产品的制作技术仅为国外几家公司所掌握，且均采用机械刻划和镀膜复制的方法制作而成。本文以傅里叶级数为依据，提出了一种任意槽型闪耀光栅的全息制作方法，并以中阶

5、梯光栅为例，设计了全息光路，精确控制了各傅里叶级数的匹配叠加，曝光显影后在光刻胶上实现了近似的中阶梯光栅槽型，为全息闪耀光栅的制作提供了一种新的思路。较传统的机械刻划光栅，全息光栅具有快速、低成本、无鬼线等优点，对制作环境也较为宽松，且光路参数可以自由调整，理论上可以能够制作任意槽型的闪耀光栅。金属线栅偏振器是一种以微纳结构为基础的新型偏振器件，较传统的晶体双折射偏振器件体积更小、性能更优，因此已经广泛使用于光线通信、LCD显示、偏振光成像等领域。然金属线栅的制作通常使用电子束直写和纳米压印技术，工艺复杂成本高。本文结合实验室现有的全息工艺基础和离子束蚀刻条件，设计并制作了一

6、种近红外波段的金属线栅偏振器，测试结果显示该偏振片基本上达到了设计指标，能够使用于近红外波段。利用FDTD算法（时域有限差分法）分析了各种结构参数对金属线栅偏振器性能的影响，为金属线栅偏振器的设计提供理论依据；就目前市场暂无紫外波段的线栅偏振器的现状，根据双层金属线栅的特性，设计了一种可调谐式金属线栅偏振器，运用压电陶瓷的调谐作用，使得特定波长的TM透射增强而TE偏振干涉相消，从而极大地提高双层线栅结构的消光比，因此该器件可使用于紫外波段，有效地将金属线栅偏振器的应用波段扩展至深紫外波段。另外，仿真分析发现，双层金属线栅结构具有丰富的物理现象，除单层金属线栅的偏振特性外，当两

7、层线栅的间距在波长量级以内时，还具有表面波耦合效应，即产生特定波段的透射增强；当线栅的间距远大于入射波长时，双层线栅表I现为F-P腔的特性，即满足谐振条件的特定波长干涉相长，从而获得较高的透过率，不满足谐振条件的波长干涉相消，透过率降低。减反射表面一直是应用光学的研究热点，已广泛应用于光纤通信、太阳能电池、光电探测器等光学系统和光学器件。针对激光系统的光学反馈敏感性，设计-4了一种极低反射率的双层光栅表面，正入射时反射率可以低至10，较普通的单层光栅抗反射结构有很大的提高。利用双层金属线栅的F-P腔特性