1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
亚波长光栅结构表现出优异的陷波滤光特性, 其经典设计是设定亚波长的几何结构参数, 求解麦克斯韦方程组, 设定优化算法求解出最优解, 需要消耗大量的时间和计算资源。 提出一种基于深度学习的逆向设计方法, 搭建了可以同时实现正向模拟与逆向设计的串联神经网络。 基于python语言的Tensorflow库进行网络搭建; 优化均匀波导层的高度、 亚波长光栅的高度、 折射率、 周期以及占空比; 研究亚波长光栅在0.45~0.7 μm的陷波滤光特性。 采用严格耦合波分析(RCWA)数值模拟生成23 100组数据集, 在生成的数据集中随机选择18 480组数据作为训练集, 4 620组作为测试集, 并对不同的网络层数, 网络节点以及Batch_size进行了研究。 结果显示经过1 000次的迭代后, 当网络的模型结构为5×50×200×500×200×26, Batch_size大小为128时, 网络性能最佳。 相比独立的网络模型, 串联神经网络的正向模拟测试集损失率从0.033 63降到了0.004 5, 逆向设计的测试集损失率从0.702 98降到了0.052 98, 同时解决了由数据的非唯一性导致的网络逆向设计过程中无法收敛的问题。 在完成训练的网络中输入任意的光谱曲线, 网络平均在1.35 s内给出亚波长光栅的几何结构参数; 并与RCWA数值模拟曲线进行相关性分析, 曲线相似系数均大于0.658 1, 属于强相关。 另外, 设计红、 绿、 蓝三种颜色的陷波滤光片, 其峰值反射率分别可以达到98.91%, 99.98%和99.88%, 与传统方法相比, 该方法可以快速、 精确的求解出光栅的几何参数, 为亚波长光栅设计提供了新方法。
神经网络 亚波长结构 深度学习 陷波滤光片 Neural network Sub-wavelength structure Deep learning Notch filter 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1393
1 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083
2 天津津航技术物理研究所，天津 300308
CVD金刚石是一种性能优异的红外光学窗口材料，但其在红外波段的理论透过率仅能实现约71%。通过表面亚波长结构设计可进一步增强CVD金刚石膜的光学透过性能。该研究首先通过理论模拟，建立了金刚石微结构特征与光学增透之间的定量关系。基于此为指导，探讨了在具有微结构硅片表面，采用MPCVD方法复制生长出具有微结构的金刚石自支撑光学级薄膜，用于提升金刚石膜在红外波段的透过率。采用扫描电镜（SEM）观察了原始硅片和金刚石表面及微结构形貌，通过拉曼散射光谱评估了金刚石的生长质量及形核层影响，采用红外光谱仪测试了金刚石红外透过率。结果显示，单面构筑微结构后，金刚石膜在8~12 μm波段的透过率可从70%提升至76%，说明表面微结构能显著提升金刚石膜的光学透过性能。非金刚石形核层以及表面微结构的完整性不足可能是导致实验结果与理论模拟结果具有一定偏差的主要原因。
金刚石膜 亚波长结构 红外增透 仿真模拟 diamond film sub-wavelength structure infrared antireflection simulation 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200199
1 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 物理学院，辽宁 大连 116024
根据严格耦合波理论(RCWA)，提出了一种基于亚波长的双导模共振(GMR)光栅透射型滤波器的结构设计，其工作原理是利用对称式双GMR光栅将电磁能量全部集中在结构的波导层中，从而产生高效的共振峰。利用两个单GMR光栅串联，光栅间分别为无空气间隙和间隔2.13 ?滋m空气层两种结构。仿真结果表明，无空气间隙的双GMR光栅串联结构可实现在波长1 550 nm处的滤波，其峰值透射率约为100%，半峰宽(FWHM)可达0.012 nm；有空气间隙双GMR光栅串联结构将GMR与法布里-珀罗共振(FPR)相结合，在共振波长1 550 nm处的峰值透射率约为100%，FWHM为0.15 nm，并获得了平顶滤波曲线，平坦度约为0.1 dB，上述两种结构滤波器可用于光信息处理与光传感等领域。
亚波长结构 导模共振光栅 透射滤波器 超窄带光滤波器 sub-wavelength structure guided-mode resonant grating transmission filter ultra-narrow band optical filter 红外与激光工程
2020, 49(S1): 20200134
1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室, 吉林 长春 130022
本研究采用严格耦合波分析法设计具有宽带广角抗反射特性的ZnS MS材料的蛾眼亚波长周期微纳结构。基于严格耦合波理论, 控制周期尺寸小于入射波长与材料折射率的比值, 实现高级次衍射波为倏逝波, 以提高蛾眼结构宽带抗反射效率。采用时域有限差分法分析蛾眼结构周期、底端直径、结构高度和顶端直径对光谱透过率的影响, 并对4种结构参数进行优化。此外, 还选取可见光、近红外和中红外三个特征波长进行宽角度入射的电场分析。研究结果表明：在短波范围内, 蛾眼宽角度抗反射性能取决于结构表面的减反射和前向散射的能力; 而在长波范围内, 蛾眼结构被视为ZnS MS平面膜层, 其光谱特性主要受Fabry-Perot干涉影响。该研究为不同波段宽角度蛾眼结构设计提供了理论依据和设计方法。
光学设计 亚波长结构 蛾眼超表面结构 时域有限差分法 光学窗口
1 厦门大学 电子工程系 微纳光电子研究室, 福建 厦门 361005
2 洛阳光电技术研究中心, 河南 洛阳 471009
采用严格数值算法对中红外硅微透镜阵列进行了模拟, 该微透镜阵列特征尺寸小于波长工作波长.研究发现该微透镜阵列存在一个显著的离焦效应, 其离焦量达到0.4左右, 超出了现有的传统理论模型预测范围.对微透镜阵列进行了制作和焦距测试, 发现测试结果跟数值模拟基本吻合.微纳衍射光学集成系统中透镜离焦量是系统集成非常重要的一个参数, 该研究结果为硅微透镜阵列和中红外探测器光学集成提供有效参考.
亚波长结构 红外探测器 离焦 微透镜阵列 sub-wavelength structure FDTD FDTD infrared detector focal shift microlens array
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200082
介绍一种入射角调谐红绿蓝三基色导模共振滤光片(GMRF)的实现方法。利用严格耦合波理论(RCWA)分析入射角对导模共振滤光片反射光谱的影响,用TM 偏振波在斜入射下得到两个不同位置的共振峰，通过调节入射角，使两个共振峰分别落在可见光波段和红外波段，并通过调整角度实现对可将光波段滤波波长的调谐。通过对参数的优化、调整，设计并制作了周期为544 nm 的红、绿、蓝三基色导模共振彩色滤光片，结果显示该结构在26.8°、39.6°、46.0°入射角得到了良好的红、绿、蓝三基色，效率均在80％左右，半峰全宽约为5 nm。当其作为蓝、绿两色滤光片工作时，与传统亚波长导模共振结构相比，其周期相对较长，从而大大降低光栅制作难度。实验结果实现导模共振结构在彩色滤光片方面的应用，并对大周期导模共振器件的制作提供了积极的指导。
光学设计 彩色滤光片 导模共振 亚波长结构 严格耦合波理论
电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
亚波长结构是特征尺寸小于工作波长的连续阵列浮雕结构, 可看成是一层折射率均匀的介质层, 仅存在零级的透射和反射衍射。基于等效介质理论和严格耦合波理论介绍了亚波长抗反射结构。为提高111μm波长太赫兹辐射(2.7THz)的透过率, 在硅表面设计了亚波长抗反射结构。该结构的透射率和反射率由其浮雕结构的周期、高度和占空比确定。利用等效介质理论和严格耦合波理论对其结构参数进行了优化设计。当周期为27μm、高度为13μm、占空比为0.75时, 得到了99.05%的太赫兹辐射透过率。
亚波长结构 严格耦合波理论 太赫兹 抗反射 sub wavelength structure rigorous coupledwave theory terahertz antireflection
