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
1 桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004
2 西安电子科技大学 机电工程学院, 西安 710071
3 广西师范大学 物理科学与技术学院, 广西 桂林 541004
4 广西信息材料重点实验室, 广西 桂林 541004
针对层压工艺下，埋入挠性光电基板的光纤，其应力、位移的变化，会影响光路的耦合效率，改变光纤有效折射率，导致传输性能发生变化的问题，采用有限元分析软件，对光纤埋入不同槽型的挠性光电基板进行了力学、传热和电磁场耦合分析.分析结果表明：光纤埋入梯形槽挠性基板的应力最大，达到68.336 7 MPa.埋入梯形槽的光纤位移量最大，其值为1.430 4 μm.随着槽宽增加，光纤最大等效应力从52.667 MPa增加至71.907 MPa；随着槽间距增加，光纤最大应力从51.589 MPa增加至53.567 MPa；随着槽深增加，光纤最大应力从52.667 MPa减小至47.793 8 MPa，然后增加到67.349 6 MPa.随着温度和压力的增加，单模光纤在X方向的有效折射率从1.446 249 977增加至1.446 259 084；Y方向的有效折射率从1.446 326 398增加至1.446 393 041.光纤有效折射率差会随着温度的增加而增大，随着压力的增加而减小.光纤有效折射率增加，限制光的能力增加，能够有效地减小光纤弯曲损耗.本文分析结果对挠性光电基板光纤埋入结构设计和层压工艺具有一定的参考价值和指导意义.
光纤埋入结构 层压工艺 有限元分析 单模光纤 最大应力 等效折射率 Optical embedded structure Lamination process Finite element method Single mode fiber Maximum stress Effective refractive index
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
采用时域有限差分（FDTD）方法研究了二维六边形排列结构的光子晶体近零折射率材料的相位特性，提出利用电场相位的空间频谱计算等效折射率的新方法，该方法可直观地反映电场相位的变化，解释了负折射的传播机理。利用该方法分析了横磁（TM）模波长和温度对等效折射率的影响。
材料 光子晶体 零折射率 时域有限差分法 等效折射率 激光与光电子学进展
2017, 54(3): 031603
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海200240
为了提高氮化镓基蓝光发光二极管的发光提取效率, 在其电流扩展层上生长光子晶体.讨论了光子晶体结构周期、刻蚀深度和占空比参数与提取效率的关系, 并采用时域有限差分法进行模拟计算.结果表明在晶格周期为300 nm、占空比为60%和刻蚀深度为200 nm的条件下, 生长光子晶体结构后, 氮化镓基蓝光发光二极管的提取效率提升了27.93%.研究了激励源在光子晶体晶格周期内位置变化对提取效率的影响, 拟合得到更符合实际物理意义的氮化镓基蓝光发光二极管发光提取效率函数.利用等效折射率理论和法布里-珀罗薄膜干涉模型解释了氮化镓基蓝光发光二极管中TE模和TM模偏振之间提取效率的差异, 数值仿真得到最大差异值为1.442倍, 从而获得高偏振对比度光源.用该结构参数制备的发光二极管器件应用于液晶显示背光源, 可提高液晶显示的能耗效率.
发光二极管 光子晶体 偏振 提取效率 等效折射率 时域有限差分 LED Photonic crystal Polarization Extraction efficiency Effective refractive index Finite difference time domain 光子学报
2016, 45(11): 1113001
考虑光子晶体中场局域效应, 在等效介质理论的基础上利用场平均法得到二维三角格光子晶体的等效折射率.该折射率与平面波展开法得到的结果非常吻合.考虑慢光效应对非线性效应的增强, 引入慢光增强因子得到该光子晶体的等效非线性折射率系数.该光子晶体的等效非线性折射率系数表现出强烈的色散效应, 即随归一化频率的增加而逐渐减小, 达到最小值后迅速递增, 体现了场局域效应和慢光效应对光子晶体中非线性效应的共同作用.本文研究对利用人工微结构调控光学非线性效应具有一定参考价值.
非线性效应 等效非线性折射率系数 场平均法 光子晶体 场局域效应 慢光效应 等效折射率 Nonlinear effect Effective nonlinear refractive index coefficient Field averaging method Photonic crystal Local-field effect Slow-light effect Effective refractive index
介绍了一种计算多层结构微测辐射热计探测单元的红外吸收模型，并计算了所设计25 μm 微测辐射热计探测单元的红外吸收。当探测单元表面金属吸收层的方阻从2～600 Ω/□变化时，单元的吸收功率先逐渐增大，之后缓慢下降。对于300K 黑体辐射，当探测单元的吸收层方阻达到332 Ω/□时，吸收率达到最大。此时在8～14 μm 波段单元的红外吸收率平均值为72%，吸收功率为16nW。在此基础上对探测单元结构的悬空高度进行优化，得到最优的两层悬空间隙高度均为0.8 μm，最优吸收率为82%。
微测辐射热计 等效折射率 吸收率 热响应时间 micro-bolometer equivalent refractive index absorptivity thermal response time
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200092
从理论上分析设计了三角晶格的光子晶体，利用时域有限差分法模拟横电模(TE 模)在二维光子晶体中的传播，并对模拟得到的电磁场数据作傅里叶变换得到其频谱。通过对各个频谱成分的相位作分析，计算出光子晶体的等效折射率。进一步发现不同的空间频率对应的相速度方向是不同的，正折射的频率对应的相速度方向与能量传播方向一致，负折射的频率对应的相速度方向与能量传播方向相反。对光子晶体内部电场的变化做了详细的分析，以期为探究光子晶体与电磁波作用的物理机理提供扎实的理论依据。
材料 光子晶体 时域有限差分法 等相位面 等效折射率 激光与光电子学进展
2015, 52(6): 061602
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 等离子体物理实验室, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088
3 四川大学 电子信息学院, 成都 610064
在高功率密度下产生的非线性效应和材料损伤等问题限制了光纤激光器输出功率的进一步提高。利用大模场光纤降低光纤能量密度，提高非线性阈值是一种最为直接和有效的手段。以空气孔尺寸为光波长量级的全内反射型光子晶体光纤为对象，采用等效折射率模型分析了光子晶体光纤的单模特性，利用有限元法分析了结构参数对光子晶体光纤的模场面积和色散等光束质量参数的影响。设计了一种工作波长为0.40~1.55 μm，模场面积为112.74~258.87 μm2，且在1.27 μm附近可补偿色散的大模场光子晶体光纤。该研究可为高功率光纤激光器大模场光纤的进一步参数优化设计及元件加工提供重要参考。
光子晶体光纤 等效折射率模型 有限元法 大模场 无截止单模 可调色散 photonic crystal fiber effective index method finite element method large mode area no cutoff single mode tunable dispersion 强激光与粒子束
2014, 26(10): 101009
1 北京工业大学电子信息与控制工程学院光子器件研究实验室, 北京 100124
2 赣南师范学院物理与电子信息学院, 江西 赣州 341000
利用不同占空比的亚波长结构剪裁光栅槽的等效折射率来改变光栅的衍射特性实现衍射输出光束与单模光纤之间的模式匹配，通过优化埋氧化层厚度和集成底部金反射镜，可以改善光栅耦合器弱的方向性，从而设计出用于SOI波导与光纤之间高效率耦合的光栅耦合器。采用本征模展开方法，模拟了光栅耦合器随剪裁的光栅槽等效折射率变化的相关特性，在SOI波导和单模光纤之间对波长为1550 nm的光获得了最高93.1%的耦合效率，3dB带宽为82 nm。
光栅 等效折射率 光栅耦合器 耦合效率 模式匹配 光学学报
2014, 34(11): 1105001
1 西安电子科技大学理学院, 陕西 西安 710071
2 陕西理工学院物理与电信工程学院, 陕西 汉中 723001
采用Monte-Carlo方法，对气溶胶凝聚粒子进行了模拟，讨论了凝聚粒子的孔隙特性，分析了空间结构、原始粒子数目对凝聚粒子孔隙率和等效折射率的影响。结合物质的电结构，将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子，利用离散偶极子近似方法，数值计算了不同孔隙率气溶胶凝聚粒子的散射、吸收和消光截面各种取向的统计平均值。结果表明，气溶胶凝聚粒子的孔隙率明显取决于其空间形状和所含原始微粒的数目；气溶胶凝聚粒子的等效折射率、吸收、散射和消光截面则随孔隙率的增加而减小。研究结果可为全面理解气溶胶粒子光学特性提供参考；也可为某些涂层材料光学性能的改变提供参考，通过改变涂层材料中凝聚粒子的孔隙率来改变涂层材料的等效折射率，进而改变涂层材料对光的散射和吸收。
物理光学 气溶胶凝聚粒子 孔隙率 等效折射率 光学截面
