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。

利用全息光刻开展了808 nm腔面光栅半导体激光器腔面膜系制备, 制备与表征了单管芯器件, 单管芯器件条宽100 μm, 腔长2 mm, 输出中心波长807.32 nm, 光谱半宽为0.36 nm, 15～45 ℃温度范围内波长随温度的漂移系数为0.072 nm/℃, 室温单管芯最大连续输出功率达到2.8 W, 阈值电流为0.49 A, 斜率效率为1.05 W/A。测试结果表明808 nm腔面光栅半导体激光器实现了单纵模输出。

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。

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。

介绍了数字编码光栅尺的结构设计并提出一种制作方法.采用紫外对准光刻、全息光刻及湿法腐蚀结合在(100)硅片上制作母光栅尺, 并以具有紫外固化特性的聚氨酯丙烯酸酯为材料, 将母光栅尺复制到硬基底上.实验表明, 该工艺可重复性高, 复制光栅尺的衍射效率高于母光栅尺的90%, 并能承受航空环境－55℃~70℃的高低温冲击.光栅尺的制作准确度满足传感器的要求, 信号响应准确率100%.该方法可对具有准确度高、图形复杂、工作环境恶劣等特点的微纳米结构的制作提供借鉴.