依据半导体光电导效应分析了光致导电复合网栅调控机理, 阐明了光致导电复合网栅的设计思路与结构特点.结合透明衬底蓝宝石基片, 选取雷达波2~18 GHz, 红外3~12 μm波段为研究对象对复合网栅结构参数进行优化和仿真, 当网栅参数周期由5 mm变为2.5 mm、边长由4.9 mm变为2.4 mm时, 网栅的中心谐振频率从13.2 GHz变为14 GHz.采用衍射光栅同轴对准原理保证两次lift-off光刻工艺的对准精度, 制备的网栅周期误差小于6 μm, 边长误差小于5 μm, 满足实验要求.复合网栅的光学和电学性能测试结果为: 加载复合网栅的蓝宝石衬底样件与未加载的相比, 红外透过率曲线整体走势未发生变化, 透过率整体下降了7.8%左右, 与单独金属网栅相比相差3.4%, 符合红外透过损失规律.该复合网栅在敏感波长为600 nm光照射下测得的中心谐振频率从13.22 GHz变为14.03 GHz, 与仿真结果基本一致, 验证了光照对复合网栅电磁性能调控的可行性.

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0 eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiN_x)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220 nm、高度为245 nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。

为简化主动频率选择表面(FSS)器件结构,提高其谐振频率的操控性能,提出一种利用光电导薄膜的光照导电特性控制FSS结构尺寸变化的光控主动FSS。从理论角度阐述了FSS结构尺寸与中心谐振频率的关系。以十字带通型光控主动FSS为例,采用CST软件仿真得到光照前后的中心谐振频率,频率由23 GHz变为28 GHz。采用镀膜、电子束蒸发及光刻等工艺制作出光控主动FSS样件,分析了光电导薄膜中掺杂成分、退火温度、退火时间及光照频率、光照功率等因素对其光电性能的影响。结果显示:调节CdS、CdSe的分子数比(1∶1~5∶1)可改变敏感波长;调节CdCl₂、InCl₃、CuCl₂的比例可改变亮暗方块电阻比,实验中分子数比为(3.6∶2.6∶1.3)时效果最佳;退火温度为750 ℃、退火时间为30 s时光电导薄膜光电特性与欧姆接触达到峰值。测试结果表明:在功率为200 mW/cm ²与波长为0.6 μm的光照条件下,光控主动FSS的中心谐振频率从光照前的23.8 GHz变为28 GHz,与仿真结果一致。

为实现频率选择表面(FSS)谐振频率的光电可调控特性, 提出一种光电可调控频率选择表面.利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化, 实现FSS的主动可调.理论阐述了光电导及FSS选频特性原理, 采用CST软件分别仿真了“Y”形带通型、“圆”形带通型和“Y”形带阻型三种FSS在光照时的频选特性.结果表明: 随着结构尺寸变化, FSS的中心谐振频率分别从18 GHz、25 GHz、20.5 GHz变为20.5 GHz、29 GHz、16.5 GHz.采用镀膜、刻蚀及电子束蒸发等技术分别制作了单元结构尺寸变化前的金属FSS, 以及变化后的金属与光电导薄膜结合的FSS, 并对样件进行测试, 结果表明: 中心谐振频率分别从18 GHz、24 GHz、20 GHz变为20 GHz、28 GHz、17 GHz, 与仿真变化趋势基本一致.采用该方法既可实现FSS中心谐振频率的可调控, 也可从结构上实现FSS带通型和带阻型的转变.

为提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)的光提取效率, 基于等效介质理论设计了底面100%占空比、半径为320 nm的正方形孔径纳米半球阵列。利用时域有限差分法(FDTD)对正方形孔径纳米半球阵列结构底面占空比、半径对光提取效率的影响进行了仿真计算研究。仿真结果表明: LED p-GaN表面刻蚀半径为320 nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀完成正方形孔径纳米半球阵列的GaN基LED制作及测试实验。结果表明: 在20 mA和150 mA工作电流下, 有微纳结构的LED较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高4.67倍和4.59倍, 计算结果与实验结果比较一致, 说明加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED光提取效率。

为实现单个平面透镜在10.6 μm波长处的会聚功能,本文设计并制备了一种一维亚波长光栅面型超表面(electromagnetic meta-surface)。基于电磁谐振现象,利用双条形介质耦合结构模型设计了会聚超表面单元结构,并采用FDTD Solution软件进行仿真计算证明了其对光波位相的调制作用,筛选出了10个位相梯度。通过对10个位相梯度的自由组合形成会聚超表面平面透镜,并进行了实验验证。实验结果表明: 在设计波长上,超表面平面透镜对TM模式平面波能够较好地实现透射会聚的功能,焦距为49 mm,会聚光斑最小宽度是0.7 mm,工作效率达到60 %。

在光纤通信中, 为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用, 设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器, 用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。 在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系, 一层是窄带滤光膜, 另一层是偏振分光膜。 采用TFCalc软件仿真, 设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm, 偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。 基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系, 实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。 结果显示, 窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm, 增益平坦度小于-0.05 dB, 相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽, 可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。 偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%, 相比仿真值略低, 但仍优于设计要求, 相比传统分光器的光信号强度保留效果更好, 具有更高的信噪比。 综上所述, 该分光器具有更好的应用价值和实用意义。

短波通截止滤光片(SWPF)能够对公共电视天线(CATV)传输系统中的不同信号进行抑制和区分，是光纤CATV传输系统中的重要组成器件。为了降低传输噪声，改善信号传输质量，针对传输系统中截止滤光片的参数要求，选择适合的薄膜材料。通过建立膜系结构的等效层模型，对其求导模拟测试结果，并对膜料光控tooling值及对特定敏感度较高膜层的膜厚进行调整，解决了实际镀膜过程中的膜层失配问题，制备了采用较少膜层的短波通截止滤光片，在1110~1360nm波段反射率小于1%，在1490nm±20nm波段透射率小于0.08%，在1550nm±20nm波段透射率小于0.05%。该滤光片可以满足CATV传输系统环境使用要求。

为了满足航天红外遥感器光学元件透过率高、散热性好的要求，提出一种具有波长选择特性的网状微结构。采用等效介质理论、数学建模理论方法设计网状微结构特征参数，并通过Matlab软件辅助模拟微结构表面光谱辐射特性。运用离子刻蚀机制备网状微结构，通过扫描电子显微镜测量微结构表面形貌,并进行分析。根据结果判断反应气体流量、射频电源功率、反应腔内压强三个工艺参数对微结构形貌及微结构侧壁陡直度具有很大影响，以及确定最佳工艺参数组合。实验结果表明：在最佳工艺参数组合下制备的网状微结构，10.6 μm工作波长下透射衍射效率大于91.5%，基本满足红外遥感器对网状微结构光学特性的要求。