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近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室研究團隊在基于簡化模式方法的光柵設(shè)計方面取得新進展。提出將簡化模式方法應(yīng)用于多層介質(zhì)光柵設(shè)計，并成功設(shè)計了-2級高效率的超寬帶高容差的衍射光柵。

光柵在光譜分析、超強、超快激光、高端光刻、位移測量、天文測量等領(lǐng)域具有不可替代的作用，也是衡量一個國家高精密光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。傳統(tǒng)的光柵設(shè)計都是針對光柵的負一級進行優(yōu)化設(shè)計，但是光柵的分辨能力同光柵衍射級次成正比，級次越高，分辨能力越高。為了提高光柵的分辨能力，制作高級次的中階梯光柵是最常用的方法，但該方法由于級次數(shù)量眾多，且制造難度大，效率值通常只有65%-75%，嚴(yán)重制約了其廣泛應(yīng)用。

該項研究中，研究人員利用簡化模式方法從理論上分析了負二級高效率產(chǎn)生的條件，通過求解色散方程得到各個模式的有效折射率，對各個傳播模式進行分析進而得到-2級高效率的條件表達式和光柵結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)，并通過嚴(yán)格耦合波算法和模擬退火優(yōu)化算法對其參數(shù)進行進一步優(yōu)化設(shè)計，得到了-2級超寬帶高效率衍射光柵器件。

該結(jié)構(gòu)衍射效率最高可達99.58%，并且實現(xiàn)波長從1.454 μm-1.531 μm和入射角37.32°-43.3°范圍內(nèi)95%以上高效率輸出。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)同樣具有優(yōu)良的容差特性，可行性強，適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)制作。

這是首次通過簡化模式理論方法分析并設(shè)計的多層寬帶-2級高效率衍射光柵結(jié)構(gòu)，為簡化模式理論方法應(yīng)用于多層結(jié)構(gòu)光柵設(shè)計提供了可能。

圖1 三層全介質(zhì)矩形光柵示意圖

圖2 TE偏振入射下衍射效率分別隨波長(a)、入射角度(b)變化示意圖