亚波长角向偏振金属光栅设计方法与制造技术研究

doi:1DF426C8006D1CD7E179C9B327298039

	亚波长角向偏振金属光栅设计方法与制造技术研究
	朱春霖
学位类型	博士
导师	巴音贺希格（Bayanheshig）
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	亚波长角向偏振金属光栅粒子群最优化算法分步优化设计电沉积在线监测超声辅助电沉积
摘要	角向偏振光是指光束横截面上每一点的偏振都为沿切线方向的线偏振的柱对称矢量光。角向偏振光在激光焊接、激光打孔、原子引导、光镊及超分辨成像等领域具有重要应用。采用腔内法产生角向偏振光具有结构简单,光能利用率高等优点。作为腔内法的一种,光栅选模法是指采用角向偏振光栅作为激光器的内腔镜,在激光产生之时直接选取出角向偏振光形成振荡,同时抑制径向偏振光,出射的激光具有较高的偏振纯度。亚波长角向偏振金属光栅,可用于工业级10.6μm二氧化碳激光器,作为谐振腔的后腔镜,通过偏振态的选择性振荡,实现激光器的角向偏振光输出。相比于圆偏振光,其激光加工的效率可提升1.5-4倍。亚波长角向偏振金属光栅的设计,需要考虑使其具备较高的偏振选择特性,工作波段能够覆盖二氧化碳激光器的激发波长。同时,需要研究光栅的加工工艺与质量控制,以保证制作出的光栅能够满足设计指标。然而,目前腔内法所用的角向偏振光栅仍存在偏振选择特性较差,带宽窄,导热性差等问题,制约了角向偏振光的进一步应用。鉴于此,本文通过理论与实验相结合,针对10.6μm波长高功率二氧化碳激光器所用角向偏振光栅,系统地研究了光栅参数设计、结构设计、工艺容差、加工工艺等问题,具体包括以下几个方面的内容:第一,进行了亚波长角向偏振金属光栅的设计,建立了基于严格耦合波理论计算衍射效率的粒子群最优化算法,确定了具有较高偏振选择特性、波段宽度满足要求且导热性好、热致形变小的金属光栅材料及结构参数,并进行了光栅结构参数对光栅偏振性能影响的分析,计算了光栅的加工容差。第二,针对亚波长角向偏振金属光栅的设计方法进行了分析。研究了惯性权重因子在粒子群最优化算法运行过程中所起的作用,针对亚波长角向偏振金属光栅的光谱响应特点,提出了基于粒子位置调整惯性权重的分步粒子群算法,通过分步优化设计提高了光栅设计的效率与准确性。第三,建立了金属光栅电沉积在线监测控制系统,通过对光栅电沉积过程中衍射效率曲线的实时监测判断金属栅条沉积高度,从而避免了计时方法无法准确判断沉积截止时刻的问题。在光栅制作过程中采用在线监测,一方面可以直接把握需要严格控制的光栅结构参数,另一方面避免了为确定沉积速度而进行的前期实验与测试。第四,分析了金属光栅电沉积质量影响因素,进行了金属光栅电沉积质量改善方法研究,在沉积过程中引入超声振荡,提高了金属电沉积速率,并且使电铸反应表面离子扩散得更为均匀,降低了表面粗糙度。第五,进行了金属光栅电沉积系统的搭建以及亚波长角向偏振金属光栅的试制。通过正交实验确定了光刻胶掩模制作过程中的匀胶参数和曝光显影参数;通过电铸实验确定了可以获得较高质量光栅的电铸参数,试制了亚波长角向偏振金属光栅。
页数	123
DOI	1DF426C8006D1CD7E179C9B327298039
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63834
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	朱春霖. 亚波长角向偏振金属光栅设计方法与制造技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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