近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在基于簡(jiǎn)化模式方法的光柵設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展。提出將簡(jiǎn)化模式方法應(yīng)用于多層介質(zhì)光柵設(shè)計(jì)，并成功設(shè)計(jì)了-2級(jí)高效率的超寬帶高容差的衍射光柵。

光柵在光譜分析、超強(qiáng)、超快激光、高端光刻、位移測(cè)量、天文測(cè)量等領(lǐng)域具有不可替代的作用，也是衡量一個(gè)國(guó)家高精密光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。傳統(tǒng)的光柵設(shè)計(jì)都是針對(duì)光柵的負(fù)一級(jí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是光柵的分辨能力同光柵衍射級(jí)次成正比，級(jí)次越高，分辨能力越高。為了提高光柵的分辨能力，制作高級(jí)次的中階梯光柵是最常用的方法，但該方法由于級(jí)次數(shù)量眾多，且制造難度大，效率值通常只有65%-75%，嚴(yán)重制約了其廣泛應(yīng)用。

該項(xiàng)研究中，研究人員利用簡(jiǎn)化模式方法從理論上分析了負(fù)二級(jí)高效率產(chǎn)生的條件，通過求解色散方程得到各個(gè)模式的有效折射率，對(duì)各個(gè)傳播模式進(jìn)行分析進(jìn)而得到-2級(jí)高效率的條件表達(dá)式和光柵結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)，并通過嚴(yán)格耦合波算法和模擬退火優(yōu)化算法對(duì)其參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了-2級(jí)超寬帶高效率衍射光柵器件。

該結(jié)構(gòu)衍射效率最高可達(dá)99.58%，并且實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)從1.454 μm-1.531 μm和入射角37.32°-43.3°范圍內(nèi)95%以上高效率輸出。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)同樣具有優(yōu)良的容差特性，可行性強(qiáng)，適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)制作。

這是首次通過簡(jiǎn)化模式理論方法分析并設(shè)計(jì)的多層寬帶-2級(jí)高效率衍射光柵結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模式理論方法應(yīng)用于多層結(jié)構(gòu)光柵設(shè)計(jì)提供了可能。

圖1 三層全介質(zhì)矩形光柵示意圖

圖2 TE偏振入射下衍射效率分別隨波長(zhǎng)(a)、入射角度(b)變化示意圖