李程峰 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3魏泽勇 1,2,3[ ... ]程鑫彬 1,2,3,**
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
光束偏折是光场操控的一项重要能力，也是众多光学应用的基础。随着光学技术的蓬勃发展，越来越多的应用场景迫切需要能够兼顾小型化和高效率的光束偏折光学器件。超构表面是人工原子按特定宏观排列方式构建而成的平面器件，具有强大的电磁场调控能力，能够在亚波长尺度下将光束偏折到任意非镜面方向，有望在实际应用中发挥巨大作用。从超构表面实现高效率异常偏折的物理机制出发，对超构表面异常偏折的应用研究进行回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行总结，对异常偏折超构表面及其应用的未来发展进行展望。
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1000001
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京100192
为了深入研究表面修饰余弦凹槽的亚波长结构对太赫兹波透射特性的调控规律，提出一种表面修饰余弦凹槽的太赫兹亚波长金属Cu狭缝结构，基于时域有限差分法，对亚波长金属Cu狭缝结构的太赫兹波透射光谱特性进行模拟。仿真结果表明，通过改变金属Cu狭缝结构上下表面余弦凹槽的结构排布、数量、周期、深度及狭缝深度、宽度等参量，实现了对太赫兹波透射强度的调控。
太赫兹 表面等离子 余弦凹槽 亚波长结构 terahertz, surface plasmonics, cosine groove, sub-
刘洋 1,2,3朱香平 1,2,3靳川 1,2,3张笑墨 1,2,3赵卫 1,2,3,*
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119
2 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
3 中国科学院大学，北京 100049
采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构，研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明，飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构，主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主，其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1 μm附近时，所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期，平均深度约为300 nm。
飞秒激光加工 表面形貌 亚波长结构 融石英 周期性结构 Femtosecond laser processing Surface morphology Subwavelength structures Fused silica Periodic structure
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 陕西 西安 710021
针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题, 设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析, 结果表明其透射率在远红外波段20~24 μm平均透射率能够达到98%, 中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备, 测得平均透射率达77%, 中心波段透射率达到77%, 与仿真结果相近。经实验验证, 所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好, 且对实验加工精度要求较低, 为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。
亚波长结构 光栅 等效介质理论 飞秒激光 抗反射 subwavelength structure grating equivalent medium theory femtosecond laser anti-reflective
1 广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004
2 中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055
红外光学成像系统的灵敏度与光学窗口透射率密切相关，锗窗口是红外光学系统的常用窗口，在锗窗口上制备亚波长结构可以增强抗反射性能从而提高透射率，且常选择凸面窗口以获得更大的视场角。针对在曲面窗口上亚波长结构的制备工艺较为复杂的难题，本文运用柔性紫外纳米压印方法（soft UV-NIL），在凸面锗窗口表面高效、高质量地制作了亚波长抗反射结构。首先基于时域有限差分方法优化设计了亚波长抗反射结构参数，然后基于soft UV-NIL工艺制备了符合设计要求的亚波长结构。测试结果表明，在3.55~5.55 μm波长范围内，凸面锗窗口单面平均透射率由65.81%提升到78.68%，在波长为4.4 μm处，透射率由65.85%提升至83.13%，实现了中红外宽波段抗反射效果。
光学设计 微结构制造 亚波长结构 柔性紫外纳米压印 抗反射 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522001
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518000
3 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000
在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发，亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此，提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法，对基底表面亚波长结构的等效折射率与减反射能力的关系进行了分析。通过对比蛾眼、圆锥及圆柱等不同结构的等效折射率对应的宽波段减反射性能，发现两种介质之间的等效折射率线性过渡无突变时减反射能力更优。以此提出了一种类锥结构设计方法，将该方法设计的三种结构与蛾眼结构在300~1100 nm波段进行了垂直入射下的表面反射率仿真分析，结果显示，该系列结构的平均反射率比蛾眼结构降低了约70%。此外，在可见光、近红外波段选取两个特征波长进行了宽角度（0~60°）下的反射率研究，结果表明，该系列结构的宽角度平均反射率均低于蛾眼结构，其中四棱类锥结构在两个特征波长下的平均反射率比蛾眼结构分别降低了62%和40%。采用此方法设计的系列结构比普通亚波长结构具有更佳的减反射效果，在超精密光学芯片、片上光集成、片上光互连等领域中具有潜在的应用前景。
光学设计 减反射 亚波长结构 等效折射率 时域有限差分法
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。
表面光学 铌酸锂 亚波长结构 光学性能 离子束刻蚀 透射率
将光波偏折到预定的非镜面折/反射方向是超构表面的一项重要能力，也是超构表面对光波进行复杂操控的基础。为了提高异常偏折超构表面的性能并拓展其应用，现有研究主要围绕设计理念、器件构型、演示应用等方面展开。目前光学超构表面的异常折射和反射效率已经提升至90%和99%，各种基于超构表面异常偏折光波调控的演示性应用也相继被提出。从物理机制、实现方法以及应用研究几方面出发，本文对光学超构表面异常偏折研究进行了回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行了总结，对异常偏折超构表面的进一步研究进行了展望。
光学 精密工程
2022, 30(21): 2626
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
亚波长光栅结构表现出优异的陷波滤光特性, 其经典设计是设定亚波长的几何结构参数, 求解麦克斯韦方程组, 设定优化算法求解出最优解, 需要消耗大量的时间和计算资源。 提出一种基于深度学习的逆向设计方法, 搭建了可以同时实现正向模拟与逆向设计的串联神经网络。 基于python语言的Tensorflow库进行网络搭建; 优化均匀波导层的高度、 亚波长光栅的高度、 折射率、 周期以及占空比; 研究亚波长光栅在0.45~0.7 μm的陷波滤光特性。 采用严格耦合波分析(RCWA)数值模拟生成23 100组数据集, 在生成的数据集中随机选择18 480组数据作为训练集, 4 620组作为测试集, 并对不同的网络层数, 网络节点以及Batch_size进行了研究。 结果显示经过1 000次的迭代后, 当网络的模型结构为5×50×200×500×200×26, Batch_size大小为128时, 网络性能最佳。 相比独立的网络模型, 串联神经网络的正向模拟测试集损失率从0.033 63降到了0.004 5, 逆向设计的测试集损失率从0.702 98降到了0.052 98, 同时解决了由数据的非唯一性导致的网络逆向设计过程中无法收敛的问题。 在完成训练的网络中输入任意的光谱曲线, 网络平均在1.35 s内给出亚波长光栅的几何结构参数; 并与RCWA数值模拟曲线进行相关性分析, 曲线相似系数均大于0.658 1, 属于强相关。 另外, 设计红、 绿、 蓝三种颜色的陷波滤光片, 其峰值反射率分别可以达到98.91%, 99.98%和99.88%, 与传统方法相比, 该方法可以快速、 精确的求解出光栅的几何参数, 为亚波长光栅设计提供了新方法。
神经网络 亚波长结构 深度学习 陷波滤光片 Neural network Sub-wavelength structure Deep learning Notch filter 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1393
辽宁石油化工大学理学院, 辽宁 抚顺 113001
研究了亚波长双曲超材料板表面反射光Goos-H?nchen (G-H)位移增大、方向转换以及临界波长调制方法。基于等效介质理论和稳态相位方法系统计算了入射波长、填充因子以及背景介电常数等对G-H位移特性的影响。研究表明亚波长双曲超材料板不仅可以明显增大反射光的G-H位移,而且可通过改变入射波长实现G-H位移方向的转换。在正负G-H位移之间存在临界波长,入射波长小于此临界波长时G-H位移为正,反之为负;入射波长越接近该临界波长,G-H位移越大,反之越小。研究还发现临界波长可以由双曲超材料板的填充因子和背景介电常数调制,增大填充因子和背景介电常数可以使临界波长发生蓝移,反之发生红移。以上研究表明基于亚波长双曲超材料板表面的G-H位移在光隔离器、光学传感器以及集成光电器件应用中具有广阔的应用前景。
表面光学 亚波长结构 双曲超材料 Goos-Hänchen位移 中国激光
2021, 48(23): 2313001
