论文部分内容阅读
光栅是一种很重要的色散光学元件，由于其在光谱学、集成光学和全息技术等各方面的广泛应用而倍受关注。随着光栅制作工艺发展，已经比较容易制作出高密度的光栅。高密度光栅由于其周期和入射波长相比拟，传统的标量衍射理论不再适宜用来分析，必须发展和应用严格的矢量衍射理论，比如有限元法、严格耦合波、以及时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain)法等。时域有限差分(FDTD)方法是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法，对电磁场E、H分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，每一个E(或H)场分量周围有四个H(或E)场分量环绕，应用这种离散方式将含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。
本论文利用时域有限差分(FDTD)方法分析了高密度光栅的近场分布，研究了偏振效应在光栅自成像中的影响，本文作者发现对于振幅型高密度光栅，当光栅周期在入射光波长两倍到三倍之间时，偏振影响尤其明显，TE偏振态下，Talbot像亮条纹的中心强度几乎是TM偏振情况下的两倍，本文作者称之为偏振相关自成像效应(Yunqing Lu，Changhe Zhou，Shunquan Wang，and Bo Wang，“Polarization-dependent Talbot effect，”J.Opt.Soc.Am.A已录用)。本文作者结合光栅自成像效应和近场光学显微镜技术，采用纳米开口的近场扫描探针扫描密度为6301/mm高密度光栅的近场分布，在实验上验证了偏振相关自成像效应的存在。同时，本文作者利用严格耦合波方法分析了由光栅远场的傅立叶谱，即远场分布，发现同近场分布存在着一定的对应关系，也就是说，近场的偏振相关也必然导致远场的偏振相关。
在光栅的使用过程中需要对其质量进行检测，高密度光栅属于高精度光学元件，光栅的栅线很精细，所以不仅需要对其进行宏观测量，而且还需要局部的高精度表面质量检测，常用的方法有台阶仪、原子力显微镜、电子显微镜等，不过这些方法对环境的要求比较高，同时对光栅会有所破坏。本文作者利用时域有限差分方法分析了具有不同缺陷的光栅的近场分布，研究了光栅表面分布同其衍射场间的关系，在数值模拟的基础上，采用基于光栅自成像效应的纳米光纤探针扫描检测光栅表面技术，对有缺陷的光栅进行了测量。结论是光栅的缺陷越大，其自成像效应就越不完美；光栅的缺陷越小，其自成像效应就越接近完美；虽然自成像的分布不等同于原始光栅的缺陷分布，但这种方法仍然能从一定角度判断原始光栅的质量。也就是说，一个表面质量差的高密度光栅是不可能有完美的自成像分布。实用中我们需要几乎完美的光栅。这个方法可以从一定角度判断出不完美的光栅，虽然具体的缺陷通过这个方法不可能精确知道。这种方法将光栅自成像效应与扫描近场光学显微技术结合起来，检测过程完全是无损地。该方法的最显著的优点在于其结构简单、工作可靠而且检测快速。应用这种检测方法，对两种光栅进行了实验研究，实验结果与理论分析结果相一致，表明这种方法对于高密度光栅表面质量检测是有效的。相关成果发表在J.Opt.Soc.Am.A(Yunqing Lu，Changhe Zhou，and Hongxin Luo，“Talbot effect of a grating with different kinds offlaws，”J.Opt.Soc.Am.A222662—2667(2005))和Optics Communication上(Hongxin Luo，Changhe Zhou，Hua Zou，Yunqing Lu，“Talbot-SNOM method fornon-contact evaluation of high-denstity gratings，”Opt.Commun.248，97-103(2005))