近期，中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室研究團隊在基于簡化模式方法的光柵設計方面取得新進展。提出將簡化模式方法應用于多層介質光柵設計，并成功設計了-2級高效率的超寬帶高容差的衍射光柵。
光柵在光譜分析、超強、超快激光、高端光刻、位移測量、天文測量等領域具有不可替代的作用，也是衡量一個國家高精密光學技術領域發展水平的重要標志之一。傳統的光柵設計都是針對光柵的負一級進行優化設計，但是光柵的分辨能力同光柵衍射級次成正比，級次越高，分辨能力越高。為了提高光柵的分辨能力，制作高級次的中階梯光柵是最常用的方法，但該方法由于級次數量眾多，且制造難度大，效率值通常只有65%-75%，嚴重制約了其廣泛應用。
該項研究中，研究人員利用簡化模式方法從理論上分析了負二級高效率產生的條件，通過求解色散方程得到各個模式的有效折射率，對各個傳播模式進行分析進而得到-2級高效率的條件表達式和光柵結構的初始參數，并通過嚴格耦合波算法和模擬退火優化算法對其參數進行進一步優化設計，得到了-2級超寬帶高效率衍射光柵器件。
該結構衍射效率最高可達99.58%，并且實現波長從1.454 μm-1.531 μm和入射角37.32°-43.3°范圍內95%以上高效率輸出。研究結果表明，該結構同樣具有優良的容差特性，可行性強，適合工業化大批量生產制作。
這是首次通過簡化模式理論方法分析并設計的多層寬帶-2級高效率衍射光柵結構，為簡化模式理論方法應用于多層結構光柵設計提供了可能。
圖1 三層全介質矩形光柵示意圖
圖2 TE偏振入射下衍射效率分別隨波長(a)、入射角度(b)變化示意圖
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