利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性, 当相位掩模是矩形槽形时, 占宽比在0.32~0.43之间, 槽形深度在0.57~0.67 μm之间时, 能够保证零级衍射效率抑制在2%以内, 同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上, 利用全息光刻-离子束刻蚀技术, 制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1 067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形, 槽深是0.665 μm, 分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明, 该相位掩模的零级衍射效率小于2%, ±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。

优化设计了基于金属掩模的全息光刻微纳光栅制备工艺方案,基于GaAs衬底利用全息光刻和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制备出周期为860 nm的光栅图形。将磁控溅射生长的金属硬掩模作为光栅刻蚀的阻挡层引入到刻蚀工艺中,并利用lift-off技术制备Ni掩模。对比了以光刻胶、SiO2、Ni三种材料作为ICP干法刻蚀掩模对光栅刻蚀深度及形貌的影响,结果表明,Ni掩模具有较强的抗刻蚀特性。扫描电镜测试结果显示:将50 nm厚的Ni作为硬掩模,可以实现深宽比约为4.9的光栅结构,该结构的槽宽为300 nm,刻蚀深度为1454 nm,具有陡直的侧壁形貌及良好的周期性和均匀性。

基于严格耦合波分析,研究凸面闪耀光栅的衍射特性;采用全息光刻-离子束刻蚀法制作中心周期为2.45 μm、曲率半径为51.64 mm、口径为17 mm的凸面闪耀光栅,闪耀角为6.4°,顶角为141°。结果表明,在整个可见-近红外波段,所制作光栅的1级衍射效率大于40%,在闪耀波长处1级衍射效率大于75%。

成功制备出室温激射波长为2 μm的GaSb基侧向耦合分布反馈量子阱激光器.采用全息曝光及电感耦合等离子体刻蚀技术制备二阶布拉格光栅.优化了光栅制备的刻蚀条件,并获得室温2 μm单纵模激射.激光器输出光功率超过5 mW,最大边模抑制比达到24 dB.

微结构表面设计是提高太阳能电池光电转换效率的主要方法之一。微结构可以增加入射光的吸收率, 减小反射率, 达到提高太阳能电池光电转换效率的目的。本文采用全息光刻和湿法刻蚀技术在ITO玻璃片上制备周期为300 nm的孔阵图形, 以P3HT和PCBM作为电池活性层的给体材料和受体材料。实验结果表明微结构可以提高ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al有机太阳能电池光电转换效率。当孔阵图形刻蚀深度达到60 nm时, 光电转换效率提高了约8 %。实验证实, 孔阵图形的采用增加了入射光的吸收, 提高了太阳能电池光电转换效率。

采用双光束干涉曝光法制作大尺寸全息光栅时, 由于温度变化、空气流动、振动等因素的干扰, 曝光条纹相对于光栅基板存在平移和周期变化, 从而造成光栅对比度下降。分析了大尺寸光栅曝光过程中条纹的动态变化情况, 结果表明：3 h内条纹平移和周期变化的均方根值分别为1.87、1.20个条纹周期, 对比度的数值模拟结果分别为12.83%、67.37%.构建了由三组条纹监视系统、计算控制系统和两组压电位移台组成的曝光条纹锁定系统, 实现了条纹平移和周期的同时锁定.锁定之后得到的光栅槽型和对比度明显优于未锁定时的情形, 锁定精度为：平移3σ值为0.009个条纹周期, 对比度为99.99%, 周期变化均方根值为0.017个条纹周期, 对比度为99.77%, 满足大尺寸光栅曝光对条纹稳定性的要求.

针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比, 分析显示偏振光栅周期为600 nm, 占宽比为0.535~0.55, 槽形深度为1 395 nm~1 420 nm时, 可保证其在1 053 nm波长下, 透射率高于95%, 消光比大于1 500。基于分析结果, 利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模, 并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移, 制作了底部占宽比为0.54, 槽形深度为1 400 nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%, 消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比, 采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺, 不但简化了制作工艺, 而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅, 特别利于在强激光系统中应用。

微纳光子结构研究随着光子学、 半导体物理学及微加工技术的发展而逐渐蓬勃开展, 并在其结构、 理论、 制备技术等方面取得了系列进展。 受限于目前的微加工技术水平, 要成功制备大尺度、 高质量的光子材料仍然存在着一定挑战。 激光全息光刻技术作为一种简便快捷的微结构制作技术已经发展成为一种经济快速制作大面积微纳超材料及光子晶体模板的重要手段。 介绍了激光全息光刻技术的原理, 详细阐述了该技术在制作三维面心立方、 木堆积结构、 金刚石结构光子晶体以及光学周期类准晶、 手性超材料、 周期性缺陷结构等微纳光子结构中的应用研究进展。 激光全息光刻技术成功制作微纳光子结构为光子材料在更多领域的广泛应用提供了基础和方法。

基于GaAs衬底采用全息光刻和湿法刻蚀技术制备周期孔阵图形。得出全息光刻双曝光最优曝光时间为60 s。采用H3PO4∶H202∶H2O=1∶1∶10 配比的刻蚀液，得出最佳刻蚀时间为30 s。扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)测试图片显示，孔阵周期为528 nm，刻蚀深度为124 nm，具有完美的表面形貌及良好均匀性和周期性。

提出一种共路干涉装置用于复杂结构亚微米尺度光子准晶的大面积制作.改变样品旋转角度和曝光次数, 设计多种不同旋转对称性的准晶结构, 并给出相应的衍射模式以证明其多重旋转对称性.利用该装置可以制作任意复杂结构、任意旋转对称度的准晶结构.同时, 分析了旋转轴和旋转角存在偏差时对准晶结构的影响.另外, 采用该装置实验制作了十重准晶结构, 并用原子力显微镜和衍射测量表征该准晶的长程指向性和十重旋转对称性, 实验结果表明: 十重晶格结构的直径为1.2 μm, 最小结构单元尺寸为377 nm, 与理论设计尺寸1.25 μm和392.5 nm相比, 误差为4%.理论设计和实验结果一致性很好, 对研究以光子带隙为基础的纳米光子学器件具有重要的指导意义.