为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构, 综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应, 提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅; 采用单点金刚石车削技术, 结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术, 在SiNx薄膜中制备出高1.6 μm, 周期4.1 μm的锥形光栅; 在可见光波段, SiNx薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%, 反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性; 当入射光角度在30°以内, 薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限, 将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中, 实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。

对锥形光纤光栅(TFG)的传感特性进行了理论分析,基于传输矩阵法分析了应力与温度对不同锥角TFG反射谱特性的影响。 研究表明随着应力的增大,TFG中心波长向长波长移动,反射带宽展宽。中心波长、反射带宽均与所施加的应力成线性关系。锥度越大,中心波长、 反射带宽的应变灵敏度越。温度逐渐升高时中心波长向长波长移动,反射带宽不变。增大锥度,中心波长、反射带宽均不变。TFG反射带宽与温度无关, 只依赖于应力大小,利用这一特性可以解决温度与应力交叉敏感的问题。

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果.实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N.在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量.