基于严格耦合波理论，分析GaAs/AlO_x高折射率对比度亚波长光栅（HCG）反射镜的偏振和反射特性，设计了横电（TE）偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时，HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长，通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG，并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率，其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%，与86.5%的理论值比较接近，且横磁（TM）偏振光的反射率低于40%，反射谱的变化规律也与理论结果基本一致，这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器，具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。

合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础，但当成像目标的尺寸小于波长时，标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此，本团队在高斯光束照明条件下，以更为严格的耦合波理论为基础，分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像，分析了光栅有界情况下，模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率，并认为其仅与波长有关，可分辨的光栅周期最小为λ/2，线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。

提出一种具有光束会聚功能的单层亚波长光栅结构,该结构能实现光束会聚及四路分光。利用严格耦合波分析法和波前相位控制原理设计并优化该亚波长光栅结构,并给出具体相位设计规则。基于有限元软件COMSOL对其进行仿真分析,结果表明,当波长为1550 nm 的横磁(TM)偏振光入射时,该结构可实现四路分束,每束光功率都相等且可实现光束会聚,经计算得到总体透射率为92.670%。该亚波长光栅结构有望在光通信集成以及空间光耦合等领域得到重要应用。

随着MEMS惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高, 微位移检测技术已经成为MEMS惯性传感领域的研究热点。亚波长光栅以其超高的位移检测灵敏度成为一个极具发展前景的高精度位移传感平台。利用Rsoft软件模拟分析了双层亚波长光栅共面、离面相对运动时系统零级衍射光透射率与光栅位移量之间的关系及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响, 并对这两种亚波长光栅微位移传感系统进行了结构优化与性能仿真及对比, 理论验证了亚波长光栅位移检测的高灵敏度优势。

可调窄带滤波器是光学系统中的核心器件之一,在光信号处理、光学传感等领域中有广泛的应用价值。基于亚波长光栅结构,利用微流控技术,提出了一种新型可调控窄带滤波器的实现方法,通过调控微流体通道中流体的折射率,获得了大范围可调窄带滤波功能。采用严格模式理论对其光学性能进行了分析与模拟,数值结果表明,该器件波长调谐范围可达28 nm,其滤波带宽不大于0.03 nm,灵敏度S大于350 nm·RIU ^-1,品质因数Q高达50000,光学性能优异。另外,该新型器件具有结构简单、易于制作、调控简便等诸多优点,在生物传感、化学分析等领域具有广阔的应用前景。

偏振片在诸多光学系统中有着重要的应用。亚波长介质光栅可用作正入射偏振片, 在高能激光系统中有着广泛的应用前景。为了探究波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光对于亚波长全介质光栅的诱导损伤特性, 使用了粒子群优化算法结合严格耦合波分析设计了光栅的几何参数, 计算表明亚波长光栅偏振片在入射光波长1 064 nm附近带宽0.5 nm内, 平均消光比为1 500。使用了紫外曝光配合离子束刻蚀的工艺制备了HfO2光栅, 并对其纳秒脉冲激光损伤阈值进行了测试。测试结果表明S光损伤阈值约为P光损伤阈值的5倍, 且都大于5 J/cm2。结果表明亚波长全介质光栅偏振片可广泛用于正入射激光系统中。

为了提高OLED出光效率, 在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构, 并结合等效介质理论和薄膜光学原理, 设计光栅参数: 刻蚀深度0.29 μm, 周期大小0.165 μm, 底边直径与周期的比值等于1, 可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响, 结果表明, 出光效率最高可提高30%。

基于亚波长光栅的泄漏模共振效应和等效介质理论，利用Comsol Multiphysics软件设计分析了针对1 550 nm工作波长的一维悬浮亚波长氮化镓光栅偏振分束器。通过改变光栅的宽度、高度以及周期来确定最终的参数。仿真结果显示，在正入射条件下，该偏振分束器在C波段(1 530～1 565 nm)对TE模具有很高的反射率，同时对TM模具有很高的透射率，消光比达到20 dB以上，TM模透射率高于98%。

为了确定亚波长光栅在微电机械系统（MEMS）波长可调谐VCSEL不同位置（上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔）中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定, 通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型, 然后计算光栅在3种位置时上反射镜（包括空气隙和光栅）随光栅参数变化的反射率, 以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围（即高反射范围内的参数）。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE 低反射对应的反射率, 通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振, 而将光栅放置于内腔中, 无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内, TE的阈值增益比TM最小少10 cm-1; 而在实现TM偏振稳定时, 在TE偏振稳定的参数范围内, TE的阈值增益比TM最小少5 cm-1。