液晶包层波导技术研究进展

液晶包层波导以波导为载体、以液晶为工作物质,包层中的液晶通过倏逝波调控芯层中的波导模式。相比于传统液晶器件,液晶包层波导能够巧妙解耦光线调制距离与液晶层厚度,并基于表面层液晶作用显著降低液晶回弹时间,具有调制幅度大、响应速度快的优势。本文综述了液晶包层波导技术在光束扫描、傅里叶变换光谱领域的研究进展,并展望了液晶包层波导技术在可重构光子器件领域的应用前景。不同的宏观应用表现均源于液晶包层对波导模式的微观调控。凭借独特的工作方式,液晶包层波导赋予了宏观应用新的技术优势。本综述为新型液晶光束调控方法提供一种重要的研究思路。

低损耗薄膜铌酸锂光集成器件的研究进展

近年来得益于薄膜铌酸锂晶圆离子切片技术和低损耗微纳刻蚀工艺的飞速发展,薄膜铌酸锂光集成结构提供了光场紧束缚、快速电光调谐、高效频率转换和声光转换的空前能力,各种高性能的薄膜铌酸锂光集成器件不断涌现,且朝着大规模光集成芯片的方向迅猛发展,为高速信息处理、精密测量、量子信息、人工智能等重要应用提供了全新的发展动力。本文主要围绕铌酸锂晶体发展历史、薄膜铌酸锂离子切片技术发展历程、极低损耗微纳刻蚀技术演化进程,以及高性能的薄膜铌酸锂光集成器件进展进行总结,并展望了未来的发展趋势。

水平定向结晶法生长浓度渐变Yb∶YAG激光晶体及光谱性能研究

本文采用水平定向结晶(HDC)法成功生长出180 mm×81 mm×16 mm的浓度渐变Yb∶YAG激光晶体,从放肩部位和尾部分别获取了尺寸为40 mm×40 mm×7 mm、70 mm×70 mm×7 mm的Yb∶YAG激光晶体板条各两件。采用632 nm激光、偏光应力仪对晶体板条的光学性质进行检测,实验结果发现靠近晶坯自由表面的板条内部通透,无散射光路,应力较小且分布均匀,表明该晶体板条具有优异的光学质量。进一步测试分析了晶体板条不同位置处的吸收光谱,根据935 nm波长处的吸收系数计算出Yb^(3+)的掺杂浓度,发现40 mm×40 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb^(3+)掺杂浓度沿晶体生长方向逐步增加,浓度梯度约为0.42%/cm;而70 mm×70 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb^(3+)掺杂浓度几乎保持不变,约为4.50%。

蓝宝石高温弹性模量的理论计算和实验测量

蓝宝石因其良好的透光性和高温稳定性而成为光纤式高温压力传感器的理想结构材料。蓝宝石在高温下弹性模量的变化与其高温压力测量的准确性密切相关,因此获取高温条件下蓝宝石的弹性模量是设计和制备高温压力传感器的必要前提条件。基于高温原位XRD测试得到不同温度下蓝宝石的晶胞参数,然后利用第一性原理对蓝宝石的弹性性能进行了理论计算,得到蓝宝石高温情况下的弹性刚度矩阵和柔度矩阵。同时基于脉冲激振法,测量了室温至1200℃范围内不同取向蓝宝石样品的弹性模量,验证了理论计算结果的准确性。理论计算及实验结果均表明:随着温度的升高,蓝宝石的弹性模量减小,并且不同晶向之间存在显著差异。所获取蓝宝石的高温弹性模量数据可为相关高温压力传感器的设计提供基础数据参考。

基于PEGPEA-高灵敏仿生光子晶体薄膜制备及应用

采用乳液聚合结合改良的Stӧber方法制备了单分散聚苯乙烯(PS)@SiO2核壳纳米微球,然后将其分散在聚(乙二醇)苯基醚丙烯酸酯(PEGPEA)中,形成非密集颗粒阵列后快速光聚合捕获规则阵列,制备了一种机械变色的光子晶体薄膜。采用SEM、光纤耦合光谱仪对光子晶体薄膜进行了表征,考察了PS@SiO2核壳纳米微球体积分数和粒径对光子晶体薄膜结构色的影响,并对光子晶体薄膜的力致变色机理进行了推测。结果表明,热处理改善了PS@SiO2核壳纳米微球的微观秩序,加快形成蛋白石光子晶体结构;光子晶体薄膜结构色随着PS@SiO2核壳纳米微球体积分数的增加或粒径的减小由红色向蓝色渐变;光子晶体薄膜具有的结构色反射率>60%、拉伸应变至少可达70%、灵敏度2.16 nm/%、响应速度1.9 nm/ms,反射波长调谐范围为151 nm;在100次拉伸/释放循环实验和25℃下维持拉伸状态3 d,恢复后光子晶体薄膜结构色保持不变。

具有巨大光学各向异性的新型晶体C_(3)H_(8)N_(6)I_(6)·3H_(2)O

光学各向异性,如折射率各向异性(即双折射)和线性吸收二向色性,为操控光与物质之间的相互作用提供了额外的自由度。相关晶体材料对光的偏振态操控、3D成像、超高分辨率传感和量子光学等领域具有重要意义。然而目前商用的光学各向异性晶体具有显著局限性,特别是双折射晶体,其双折射率普遍较低,这使得它们难以满足光子信息领域对高效紧凑光学设备的需求。

含类B_(3)O_(6)型有机平面π共轭基团的紫外非线性光学晶体的研究进展

非线性光学(NLO)晶体材料作为激光科学的重要组成部分,因其在信息存储等领域的广泛应用而越来越受到研究人员的关注.从阴离子基团理论可知,具有π共轭电子结构的平面六元环(B_(3)O_(6))基团是“中国牌”晶体β-Ba_(2)B_(2)O_(4)(BBO)具有优异光学性能的决定性化学组分.因此,利用具有共轭大π键的平面基团进行紫外NLO晶体的分子构筑,已成为探索新型具有良好NLO性能材料的一种非常有效的方式.近年来,为了拓宽紫外NLO晶体的研究范围,具有与(B_(3)O_(6))基团相似构型的一系列有机平面π共轭基团逐渐引起了研究人员的兴趣.目前,研究人员已经发现了许多具有优异光学性能的含类B_(3)O_(6)型有机平面π共轭基团的紫外NLO晶体,这些B_(3)O_(6)型有机共轭基团可以根据构成六元环的原子分为不同的类别:(HxC_(3)N_(3)O_(3))^(x-3)(x=0~3)(氰尿酸离子)、(HxC_(4)N_(2)O_(3))^(x-4)(x=2,3)(巴比妥酸离子)、(C_(3)H_(7)N_(6))^(+)(三聚氰胺离子)、(C_(5)H_(6)ON)+(4-羟基吡啶阳离子)和(C_(4)H_(6)N_(3))+(2-氨基嘧啶阳离子).重点介绍含类B_(3)O_(6)型有机平面π共轭基团的紫外NLO晶体的研究进展,并总结它们的晶体结构、合成方法、光学性能以及结构和性质之间的关系,为了解类B_(3)O_(6)型有机平面π共轭基团及其光学功能性质提供一个清晰的视角,并促进新型紫外NLO晶体的研究.

Nd∶GdYAG激光晶体的光谱分析及热学性能研究

本文对所生长的Nd∶GdYAG晶体的吸收光谱和荧光光谱进行了测试,采用Judd-Ofelt理论对振子强度和线强、强度参数Ω_(t)、4 F_(3/2)→4 I_(J)能级间的跃迁概率、能级辐射寿命、荧光分支比等光谱参数进行了计算,相关数据与YAG、LuAG、YVO4等晶体进行了对比。Ωt计算得出Ω2=(0.813±0.200)×10^(-20)cm^(2),Ω4=(3.381±0.187)×10^(-20)cm^(2),Ω6=(5.135±0.278)×10^(-20)cm^(2),相比YAG、LuAG、YVO4等晶体,Nd∶GdYAG晶体的强度参数Ω2较大,表明Gd^(3+)的掺入增大了基质的无序度。计算并拟合了300~1200 nm的吸收截面和折射率,其中808 nm处的吸收截面为5.0×10^(-20)cm^(2),1064 nm处的折射率为1.80。实测4 F3/2能级的荧光寿命为228μs,与计算的能级辐射寿命240μs接近;1064 nm处的发射截面为1.23×10^(-19)cm^(2),接近Nd∶YAG晶体的发射截面。室温下Nd∶GdYAG晶体的热导率为5.992 W/(m·K),略小于Nd∶YAG和Nd∶GGG,但大于Nd∶YVO4晶体。研究表明,Nd∶GdYAG是一种有应用前景的新型激光晶体材料。

基于NaCl:Cu晶体动力学模型的光释光特性数值模拟研究

目前对NaCl:Cu OSL特性的实验研究在高剂量、长时间尺度和细微过程观察等条件下存在局限性。为准确预测其温度依赖性、衰减性和剂量响应,根据文献实验数据,针对NaCl:Cu动力学模型的能级参数进行了修改,结合电荷跃迁速率微分方程组和R语言数值算法,通过计算每次事件后晶体中电子和空穴中心浓度的变化,模拟NaCl:Cu晶体的OSL特性。结果表明,NaCl:Cu晶体的OSL灵敏度与测量温度之间存在强相关性。将OSL信号衰减的模拟结果与文献中TL信号衰减的实验数据进行定量比较,指出OSL信号表现出衰减和反向衰减现象,但变化范围保持在较小范围内,远小于TL信号的衰减程度。模拟结果表明,NaCl:Cu晶体的剂量响应在0~200 Gy范围内保持线性,在200 Gy时呈饱和趋势。

晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。

氟化物磁光晶体的研究进展与应用

光通信技术发展迅速,激光平均功率不断提高,磁光隔离器是保证激光单向传输、维持光学系统稳定高效工作的基础,而磁光介质作为磁光隔离器的核心部件也因此得以快速发展。首先简要介绍了几种磁光材料以及当前广泛应用的石榴石磁光晶体的缺点、法拉第效应的原理和应用,随后系统分析了作为新一代磁光晶体的各类氟化物磁光晶体的优缺点,最后展望了CeF_(3)磁光晶体潜在的应用前景以及未来氟化物磁光晶体的发展趋势。

基于CGSim模拟的炉膛空气对流对碲锌镉晶体生长温场影响研究

碲锌镉晶体生长周期长、生长体系复杂,采用垂直布里奇曼法或者垂直温度梯度法生长碲锌镉(CdZnTe)晶体材料时,晶体的生长过程往往无法直观观察,晶体内部的温场也缺乏相应的手段检测,这对改进晶体生长工艺带来了诸多不便。利用计算机仿真能够将晶体生长的过程重构或再现。本文利用数值模拟软件,在晶体生长炉模型顶部塞子和底部塞子中心开孔,通过调节孔径大小(20~40 mm),对炉膛内气体的对流行为进行了规律性的调控。开孔前,炉膛内气体流速极低(只有10^(-5) m/s),形成流动缓慢、形状稳定的对流胞;开孔后,炉膛内气体流速明显增加(0.25~0.90 m/s),流动状态变为层流。通过控制模型的孔径大小,可以有效改变炉膛内气体层流的流速,相同温度设定下,流速从0.25 m/s增加到0.90 m/s时,温度梯度将从0.5 K/mm增加到1.1 K/mm。在实际空炉上进行开孔测温实验,验证了模拟结果中温度梯度变大的结论。通过监控炉膛内温度随时间的变化,发现层流模式下提高流速,有利于减小炉内温度随时间的波动,提高温场稳定性。温场温度梯度的增加和稳定性的提升,将有利于高质量碲锌镉晶体的制备。

极化电极均匀化设计调控铌酸锂周期极化占空比

准相位匹配(QPM)理论上能够充分利用晶体的非线性光学系数、无走离效应,在光学频率转换中具有非常大的优势。铌酸锂晶体(LiNbO_(3),LN)具有高非线性光学系数、宽通光范围和低生长成本,因此基于铌酸锂铁电畴结构设计获得的周期极化铌酸锂晶体(PPLN)成为准相位匹配技术的理想选择。目前制备PPLN晶体最常用的方法是外加电场极化法,制备过程中,电极结构的参数对极化过程至关重要。本研究基于实时监测下的电场极化过程,结合有限元分析,对不同电极结构的空间电场分布进行分析,发现电极边缘出现电场极大值,而电极内部的电场分布相对均匀。基于这一现象,本文提出了一种多通道电极结构的设计方案,以实现极化空间内部电场的均匀分布。本研究采用十通道电极进行极化实验,通过表征每个通道的占空比,发现内部八个通道的占空比大小均匀且在50%±5%范围,通过晶体的倍频实验验证发现十通道周期极化样品中中间通道相对边缘通道的非线性转换效率明显提升并分布均匀,证明其中间通道具有占空比可控的均匀极化结构,为极化空间电场均匀化设计提供了一种高效合理的设计方案。

光控取向液晶偏振全息柱透镜的制备及聚焦特性

在近眼显示领域中,体全息光栅作为有前景的技术,起到将光耦合/耦出波导器件的作用。液晶偏振全息元件具有很强的偏振选择性和转换性能,不仅可以实现光的耦合,还可作为光开关、透镜、光栅、漫射器、消色差器件及彩色光学器件等使用。本文采用光控取向技术结合全息光路制备了液晶偏振全息柱透镜并对其成像特性进行了研究。在离轴全息干涉光路上利用平面波和柱面波干涉的方法,利用SD1光控取向技术制备了变间距液晶偏振衍射透镜。在457 nm激光全息曝光的条件下制备了21.96°、26.42°、33.20°3种曝光夹角的全息柱透镜样品,并对应不同变间距周期的液晶偏振透镜。在偏光显微镜下,均观测到偏振全息柱透镜光栅周期的显著变化,并实现偏振全息的柱面聚焦再现。本文对液晶偏振透镜的基本全息衍射特性与反常色散特性进行了实验分析和验证。

二维光子晶体中的双波段半狄拉克锥与零折射率材料

设计了一种由椭圆介电柱子组成的正方晶格光子晶体结构.通过调节椭圆柱子的大小和放置角度,在布里渊区中心同时实现两个不同频率的双重偶然简并,并获得两个不同波段的半狄拉克锥.更有趣的是,这两个半狄拉克锥沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向表现出的线性和非线性色散关系正好相反,k·p微扰理论也进一步证实了这种奇异的色散关系.数值计算结果表明在两个半狄拉克点频率附近,本文所设计的正方晶格光子晶体在线性色散所在方向上等效为阻抗匹配的双零折射率材料,而在非线性色散所在方向上只能等效为单零折射率材料,即沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向的等效零折射率展现出差异性.而两个不同波段的半狄拉克锥所对应的这种等效零折射率的各向异性截然相反,因此可利用“Y”型光子晶体板将两种不同频率的电磁波成功分离.

双钙钛矿氧化物A_(2)BOsO_(6)(A=Sr,Ca;B=Cr,Mo)磁光克尔效应的第一性原理研究

Sr_(2)CrOsO_(6)具有双钙钛矿氧化物中最高的磁转变温度(725 K)。使用体积更小的Ca离子取代Sr离子后得到了Ca_(2)CrOsO_(6),其磁转变温度同样高于室温。进一步使用d轨道更加离域化的Mo离子取代Cr离子,得到了Ca_(2)MoOsO_(6)。通过密度泛函理论,系统地计算了双钙钛矿氧化物Sr_(2)CrOsO_(6)、Ca_(2)CrOsO_(6)和Ca_(2)MoOsO_(6)的电子结构和磁光克尔效应,电子结构表明,三种材料均为半导体。Sr_(2)CrOsO_(6)和Ca_(2)CrOsO_(6)的电子结构非常相似,Ca_(2)MoOsO_(6)的带隙极小,仅有0.10 eV。观察磁光克尔效应谱线,三种材料在红外到可见光谱的范围内均表现出显著的磁光克尔效应。Sr_(2)CrOsO_(6)、Ca_(2)CrOsO_(6)和Ca_(2)MoOsO_(6)的最大克尔旋角分别为1.18°、0.98°和0.65°。三种材料的最大克尔旋角均大于0.2°,是理想的磁光材料。计算结果表明化合物内同时包含3d(4d)和5d过渡金属离子有助于形成显著的磁光克尔效应。对光学电导率张量的分析表明,三种材料的磁光克尔谱线峰值源自带间跃迁,并且由光学电导率张量的非对角元虚部主导。

铌酸锂晶体的缺陷结构

铌酸锂是集电光、声光、压电和非线性等性能于一体的人工晶体,在光子学及光电子学等领域具有广泛的应用前景,被誉为“光学硅”或“光子学硅”。近年来随着基于薄膜铌酸锂的集成光子学的迅猛发展,铌酸锂晶体受到更加广泛的关注。然而铌酸锂是一种典型的非化学计量比晶体,其含有大量的本征缺陷,严重影响了晶体性能;同时,铌酸锂晶格对众多杂质离子都有良好的固溶性,而且晶体的性质随着杂质离子的种类和浓度不同产生显著变化。如同单晶硅等半导体材料的缺陷工程,缺陷已经并且必将继续对晶体的性能及铌酸锂集成光子学产生重要影响。本文对铌酸锂晶体的缺陷结构做了一个简要的回顾,尤其是近期涉及薄膜铌酸锂晶体的相关内容,涵盖了本征缺陷结构、非本征缺陷结构、缺陷结构的表征、缺陷结构的理论计算、缺陷结构与晶体性能的构效关系等方面,以期对当前的铌酸锂集成光子学研究贡献微薄之力。

Li掺杂对4H-SiC光电性质影响的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂4H-SiC体系的电子结构及光学性质.结果表明,掺杂前后的4H-SiC均为间接带隙半导体,Li原子间隙掺杂后形成n型半导体,Li原子替位式掺杂体系的禁带中出现了杂质能级,降低了电子跃迁时所需的能量;对电荷差分密度图的分析表明,Li原子失去电子,导致Li-C键和Li-Si键的共价性降低,以离子性为主;在可见光区域,相比于4H-SiC体系,掺杂体系的吸收率峰值均有所提高,其中Li间隙掺杂体系吸收带边最小,吸收率峰值最大,掺杂后的4H-SiC体系对红外、可见光、紫外均能够有所吸收,说明Li掺杂能够有效拓宽4H-SiC对光的响应范围.

基于光子晶体结构色传感器的软体机器人运动检测方法

为了解决软体机器人难以实现基于实时反馈信号的精确运动控制的问题,提出了一种基于光子晶体结构色传感器色相的软体机器人运动检测方法。该方法的工作机理在于,当软体机器人活动时,集成在其上的光子晶体结构色传感器颜色会发生变化,通过图像处理技术检测这些色相变化,并根据色相信号和运动状态之间的映射关系,实现对软体机器人运动状态的跟踪监测。色相检测稳定性测试结果表明,不同亮度和饱和度下的平均色相值分别为179.97°、179.67°,标准差分别为0.51、0.36。

基于PMNT晶片热释电型太赫兹探测器的设计与应用(特邀)

针对太赫兹探测器的研究现状,分析研究了现有太赫兹探测器的优缺点,并对热释电型太赫兹探测器的热释电材料和吸收材料进行研究,提出了一种基于铌镁钛酸铅(PMNT)晶片的新型太赫兹探测器的设计和制作方法。用PMNT晶片作为热释电材料,碳纳米管作为吸收材料,使用精密减薄抛光工艺和溅射电极工艺等工艺技术,完成了新型热释电太赫兹探测器的设计与制作。并利用该探测器设计了一款太赫兹功率计,经测试,该功率计在0.1~30 THz宽频段、0.5~100 m W大功率动态范围内,功率测量准确度达到了±10%,综合指标达到国际同类产品先进水平,应用效果良好。