为了实现长波红外光谱的高吸收,结合阻抗匹配理论和时域有限差分方法设计了一种长波红外超宽带完美吸收器。首先,分析了金属-介质-金属结构的超材料吸收器,该吸收器在7~14 μm波段内的平均吸收率大于91%。然后,在金属-介质-金属结构的基础上提出了一种嵌入式结构的超宽带完美吸收器,该吸收器在7~14 μm波段具有近乎完美的吸收特性,平均吸收率可达到97.55%,且具有偏振不敏感特性;在入射角度为50°时的平均吸收率仍大于90%(横磁模式下为90.5%、横电模式下为93.7%)。研究结果表明,表面等离子体和法布里-珀罗谐振腔等多种模式的共同作用是获得宽波段完美吸收的主要因素。设计的吸收器在红外光谱内实现了优异吸收,在能量收集、红外传感器等领域具有潜在的应用价值。

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求, 设计了一种工作在长波红外波段(8~14 μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面, 以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6 μm的带宽范围内, 该结构有超过90%的平均吸收率, 覆盖了大部分长波红外大气窗口波段, 对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明: 镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因, 并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考, 该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下, 采用传输矩阵的特征向量法, 针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟, 得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗; 采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性, 得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。

为了设计出高功率、高光束质量的激光器，研究激光器的光束质量随腔内光学元件间的距离、孔径尺寸等的变化具有重要的意义。在考虑棒端平面的热膨胀的情况下，用光学传输矩阵方法研究了双棒对称腔中双棒之间的距离对激光器稳定性和光束质量的影响。数值计算了在没有热致双折射补偿和有热致双折射补偿时光束质量、棒中基模体积、模形状与棒温差和双棒间距离的关系。结果表明，在热致双折射补偿腔中，为得到好的光束质量，应该将两棒分别靠近两端的端镜或在腔中间相互尽量靠近。并且，将两个棒放置在靠近腔镜的位置，激光器可以高功率无损伤运转。

利用一种用于光腔模式及光束传输模拟计算的特征向量法计算有源腔的2维失调,通过对谐振腔几何关系的求解,以及对增益进行薄层模型处理,最后利用特征向量法计算有源腔失调后的模式分布,发现失调造成了模式强度分布不均匀,并带来模式阶数的改变。计算了相应的光束质量因子,结果表明:在一定失调范围内,失调可能会带入新的模式竞争;谐振腔在一定范围的失调情况下,各阶模式的光束质量可能变好,也有可能变差,随着模式阶数的增加光束质量整体趋势是越来越差;原来简并的模式可能不再简并。该方法可以为计算失调后谐振腔的模场带来方便。

提出了一种计算有源腔模式分布的有限元数值矩阵方法.对腔镜进行基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分定理的有限元划分,利用MATLAB计算出光一次往返的传输矩阵.然后根据自再现理论,求出矩阵的特征值和特征向量.从而确定谐振腔的模式分布,给新型谐振腔的研究带来极大方便.