提出了一种基于纳米光学天线的新型扫描近场光学探针,基本结构是在传统光学探针的下端面集成金属偶极纳米光学天线,当入射光照射金属纳米偶极天线时激发金属表面等离激元共振,在天线间隙处产生了巨大的局域场增强,既提高耦合进入探针的光信号强度,又提高信噪比,实现高分辨率。利用时域有限差分(FDTD)法研究了不同孔径(50,100,130,150,170和200 nm)的新型探针对同一样品的探测结果。照明光源为830 nm平面波,TE极化,扫描高度10 nm。研究结果表明新型探针分辨率随孔径增大时变化规律是先增加后减小,在孔径150 nm 时分辨率最高,达 45 nm,比同样孔径传统探针分辨率提高近4倍。对比分析了当探针位于样品中心时不同孔径探针端面光场分布图,认为新型探针分辨率变化规律是纳米天线在探针上的有效长度不同所致。对其灵敏度和对比度也进行了初步分析。

硅材料是半导体微细加工工艺中的常用材料,属于m3m对称点群,通常无法实现二次谐波产生,导致光子系统芯片中的非线性组件集成困难。提出一种在硅材料中可以实现二次谐波产生光子晶体波导结构。首先给出该波导结构的组成及其基本原理,然后讨论谐波产生的计算模型和计算方法,最后给出针对10.6 μm波长而设计的全硅二维光子晶体波导具体结构参数,以有限时域差分算法为基础,计算分析了谐波产生情况。研究结果表明：该结构利用光子晶体带隙边缘效应增强了硅材料的电四极极化强度从而实现二次谐波产生,在完全相位匹配条件下,当抽运波强度为1.3 MW/mm2时,转换效率为0.2％。最后,对影响谐波转换效率的因素进行了初步分析。

弱调制介质光栅可等效为平板波导,经其衍射的高级次子波与波导模式耦合时,形成导模共振.由高级子波在介质光栅中的光程及菲涅耳相移,导出了垂直入射时弱调制介质光栅共振位置的解析表达式,其预测结果和严格耦合波理论所得值一致.导模共振对入射波参数和光栅参数极为敏感,具有窄带效应,可用来制作窄带滤波片.

原子光刻是原子光学在微细加工技术领域的新应用.在对各种材料和真空泵性能综合考虑的基础上,设计并建立了一台用于原子光刻的超高真空蒸发设备.主要设计参数为:极限真空度和工作真空度分别为2.0×10-6 Pa 和1.0×10-5 Pa,原子源温度在300～1850℃范围内连续可调.初步运行结果表明极限真空度优于设计参数,温度连续可调.

用矢量模式场来描述二维金属光栅各层中的电磁场.由边界条件,推导出模式场方程组;借助反射透射系数阵递推算法,得出了方程组的解.这种矢量模式方法物理概念清晰且稳定收敛,可以处理任意偏振态平面波入射到二维亚波长金属光栅中的衍射问题.

用激光驻波构成的原子透镜对原子束实现nm量级的聚焦,由于原子束的速度扩散、束扩散和原子的波动特性等因素的影响,原子透镜存在像差.建立了两种描述原子透镜的理论模型,用半经典模型分析原子透镜的球差、色差及由原子束的发散角引起的像差,用量子模型分析原子透镜的衍射像差.模拟结果表明原子束的发散角是产生像差的主要因素,衍射像差大于球差和色差.提出了优化实验参数、增加束掩模和利用刻蚀技术三种改善原子光刻实验的方法.

在分析原子束计算全息片特点的基础上,提出采用罗曼Ⅲ型傅里叶变换计算全息图设计原子束计算全息片,给出设计步骤 ,然后提出采用电子束光刻编码矩孔图形,ICP各向异性刻蚀SiN薄膜的全息片制作方案,对全息片的制作工艺流程详细予以介绍,最后给出制作完成的SiN薄膜计算全息片.

详细研究了提高投影成像光刻分辨力的相移滤波技术的基本理论,给出了理论模型,进行了模拟计算.对不同掩模图形设计制作的不同优化滤波器进行光刻对比实验并取得实验结果.研究表明,相移滤波能显著提高部分相干成像系统光刻分辨力和增大焦深,同时能提高光能利用率,有利于提高光刻生产率,是一种有效提高光刻分辨力和焦深的波前工程技术.

纳米结构制作是纳米技术的重要组成部分,原子光刻技术是纳米图形制作的一项新方法.对直流高压放电产生的亚稳态氩原子束进行准直减小其发散角,亚稳态原子在与之传播方向垂直的激光驻波场中发生淬火并沉积在基底上,破坏吸附在基底表面的SAM膜(self_assembled monolayers),结合刻蚀技术可制作出纳米量级的图形.给出该技术制作纳米图形的基本原理、方案、相关理论及模拟结果.

用量子力学方法研究了一维激光驻波场对亚稳态氦原子束聚焦的衍射像差。建立了半经典模型,该模型在一定条件下和已有模型一致,提出了直接计算时间演化算符的数值方法,这种计算方法速度较快,收敛性较好,数值模拟结果表明在一定的激光强度和光束半径等参量下,亚稳态氦原子束被聚焦,焦点的半峰全宽为54 nm,对比度16:1,焦长、焦深与入射原子束的速度有关,从而与动能有关,焦点的有限宽度主要是来自衍射效应的影响。