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多维结构薄膜光子器件的研究

厉以宇  
【摘要】: 波状结构介质薄膜属于二维周期结构,电磁波在结构内传播时可以分解为两种模式:TE模和TM模。由于能带结构存在模式差异,波状结构介质薄膜既可以实现垂直入射下的多波段偏振分束,也能够实现宽角度宽波段下的偏振分束功能。波状结构介质薄膜的通带内存在本征模强色散频率区域,光波在该区域内产生了自准直、负折射以及超棱镜等现象。在超棱镜效应中,色散可以达到0.89°/nm;利用TE模的正折射与TM模的负折射,波状结构介质薄膜实现了大角度的透射式偏振分束,分离角达到46°;在负折射作用下波状结构介质薄膜实现了近场成像,自准直作用使点光源近场成像达到0.28λ_0的亚波长成像分辨率。通过填充率渐变方式,波状结构介质薄膜对TM模具有光路转弯作用,出射光的位移变化量达到0.29μm/deg和0.38μm/10nm。利用电子束蒸镀技术和ICP反应离子刻蚀技术可在光刻胶光栅基板上制备出多层波状结构介质薄膜。 利用TE模与TM模在相位延迟上的差异,将波状结构介质薄膜与一维周期性薄膜组合成具有偏振选择特性的新型薄膜相位光栅。TE模和TM模分别通过0级和±1级衍射实现了远场分离。这种薄膜相位光栅的泰伯效应同样具有偏振选择特性,两种偏振模式各自的近场干涉条纹在空间分布上出现了半个光栅周期的侧向平移。 研究了表面等离子激元波(SPW)在薄膜金属狭缝内的传播。在倾斜入射下,光能量在狭缝内呈Z字形分布。银膜金属狭缝可以实现高亮度的单边辐射,辐射光近场分布的半峰全宽(FWHM)达到43nm。借助模式展开法和数值模拟方法说明了高占空比薄膜金属光栅在短波区域的窄带吸收峰或透射峰是由表面等离子激元(SPs)在光栅表面激发所引起的,长波区域的宽带吸收峰或透射峰归因于光栅内部的空腔谐振。利用数值模拟方法分析了亚波长银膜金属狭缝在前表面金属光栅辅助下出现的透射增强现象以及在后表面金属光栅辅助下的光束集束现象,并用SPs的衍射理论和严格的耦合波理论对光束集束现象进行了验证。采用物理气相沉积技术和光刻胶剥离工艺制备出了高占空比的银膜金属光栅。 利用PS-PMMA双嵌段共聚物的相分离技术在玻璃基板上制备出反射率为2.5%的纳米多孔PMMA薄膜,讨论了PMMA分子量、共聚物溶液浓度对纳米多孔结构的影响。利用离子轰击技术在PMMA镜片上获得了蛾眼型(moth-eye)纳米柱状微结构,镜片的单面反射下降到1%以下。


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