空间整形飞秒激光高效制备纳米光栅

针对常规物镜聚焦飞秒激光光斑较小,难以单次直写加工成型大面积纳米光栅结构的问题,提出了利用空间狭缝整形的飞秒激光脉冲直写方法。通过开展单晶硅表面纳米光栅结构对加工系统的参数依赖关系研究,获得入射整形飞秒激光能量密度8.00μJ/cm^(2)、扫描速度9 mm/s、狭缝宽度0.40 mm的优化条件。采用SEM、AFM等手段对光栅进行微观表征,结果表明,单次扫描所制备的纳米光栅结构具有极高的宽度(41.20μm),说明提出的方法可以显著提升一次成型大面积纳米光栅结构的制备效率。

纳米光栅三轴MOEMS陀螺设计与仿真分析

设计了一种基于纳米光栅泰伯效应的三轴微光机电系统(MOEMS)陀螺,详细阐述了纳米光栅三轴MOEMS陀螺的工作原理,建立了陀螺结构模型并分析其灵敏度。仿真结果表明:x,y,z轴陀螺结构灵敏度分别为42.76,43.63,76.79 nm/((°)·s^(-1))。对双层光栅的衍射灵敏度仿真分析,得到双层光栅面内与离面模式下的衍射灵敏度分别为297.1,159.7 V/mm。最后,结合结构灵敏度与衍射灵敏度得到x,y,z轴陀螺的灵敏度大小分别为6.83,6.97,22.81 mV/((°)·s^(-1))。

铬原子束沉积纳米光栅结构的3维仿真

为了研究铬原子经过波长为425.55nm 1维高斯激光驻波会聚作用后的沉积情况,采用原子与激光相互作用的原子轨道方法和波动方法两种理论模型进行了3维仿真。结果表明,同一激光功率条件下,两种方法的仿真条纹在激光束方向上都具有相同的周期性,在垂直激光束方向上具有非常相似的延展性,即随着激光功率的增加,原本的一条仿真条纹会逐渐分裂开来,由于原子波动性的影响,波动方法仿真的条纹中还有明显的干涉边峰,这种现象随着激光功率的增加而变得更加明显。这些仿真结果为实验提供了更加丰富的理论指导。

垂直纳米光栅耦合器耦合效率分析与测试

介绍了基于SOI纳米光栅耦合器的理论研究及测试方法,系统研究了光栅参数对光栅耦合效率的影响,在占空比为1∶1的基础上,对不同光栅槽深作了相应的理论分析,同时,还对不同角度的入射光作了相应的研究,经过仿真在入射角为10°时,对于波长为1 550 nm的入射光其耦合效率最高。除此之外,通过在光栅表面添加增透膜使其耦合效率在理论上提高至76%以上,并实验验证了增透膜可以有效的降低输入光场的端面反射及波导表面散射,增强了输出光效率。采用聚焦离子束方法(FIB)在10μm宽的硅波导上加工了纳米光栅结构,利用单模NewFocus可调谐激光器(1 520～1 570 nm)作为激发光源,对单模光纤与硅波导光栅进行垂直耦合,得到1 dB带宽近似为30 nm,耦合效率约为32%。

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。

双层纳米光栅微位移检测仿真

针对现有光栅位移传感器分辨率和精度难以提高、体积较大的难题,设计了面内和离面位移检测的双层纳米级光栅结构。用严格耦合波理论分析了单层纳米光栅的衍射特性,通过Gsolver软件对面内和离面的双层纳米光栅结构进行模拟仿真。仿真结果表明:这2种双层纳米光栅结构的0级透射光和反射光的衍射效率随第二层纳米光栅结构的位移移动量周期性变化,通过探测纳米光栅的衍射效率来获得面内或者离面的位移移动量。

纳米光栅的表面等离激元增强型GaN-LED

为提高传统Ga N基LED的发光效率,提出了一种基于纳米光栅结构的透射式表面等离激元增强型Ga N-LED。该增强型LED包含覆盖在p型Ga N光栅槽内的低折射率SiO_2膜、Ag膜以及槽表面的ITO薄膜。详细阐述了该结构增强LED发光特性的基本原理,利用基于有限元法的模拟软件"COMSOL^(TM)-RF Module"对该结构进行参数优化和数值模拟分析。研究结果表明,在周期p=280 nm,占空比f=0.5,SiO_2层的厚度d_(SiO_2)=25 nm,银层的厚度d_(Ag)=15 nm,ITO层的厚度d_(ITO)=30 nm时,该结构在可见光范围内具有较高的传输效率,其零阶透射率高达0.716,零阶反射率为0.224,-1阶透射率峰值0.183,且Purcell因子增强了近16.4倍。该结构可以同时提高Ga N基LED的内量子效率、光萃取效率和SPP萃取效率。

双层金属纳米光栅的TE偏振光异常透射特性

根据在亚波长金属光栅表面添加电介质会引起TE偏振光的透射异常性,应用严格耦合波理论和时域有限差分方法,研究了双层金属纳米光栅在TE偏振光入射时产生的异常透射现象.利用等效折射率方法建立了双层金属光栅的等效模型,得到了TE偏振光透射率与聚合物的折射率、厚度以及金属层厚度的变化关系.确认了结构中聚合物是透射异常出现的必要条件,TE偏振光以波导电磁模式在其中传播,并认为类Fabry-Perot腔谐振是透射峰值产生的主要原因.

纳米光栅微陀螺噪声分辨率分析

针对现有的微机械陀螺噪声分辨率难以降低的问题,设计了一种基于纳米光栅检测的微陀螺,阐述了纳米光栅微陀螺的工作原理,分析了微陀螺的动力学方程,设计了微陀螺结构,该微陀螺结构灵敏度达到21.27nm/°/s.设计了应用于微陀螺的纳米光栅结构,其衍射灵敏度为0.001 75mW/nm.在SIMULINK中对纳米光栅微陀螺的灵敏度进行了仿真,纳米光栅微陀螺灵敏度为37mV/°/s.计算结果表明,纳米光栅微陀螺的噪声分辨率达到了2.903×10^(-4)°/h/Hz^(1/2).

热压印技术制作纳米光栅

通过分析脱模过程的摩擦力,讨论了模具表面处理工艺与压模质量的关系,给出了降低脱膜过程摩擦力的工艺方法。实验结果表明,用类聚四氟乙烯膜作为脱模剂能大大减小模具表面与聚合物表面的摩擦力。研究了压模、脱模工艺参数对实验结果的影响,基于HEX-02塑铸系统,真空条件下,在压模温度为195℃,模压压强为8 MPa的环境下,利用热压印技术在PMMA薄膜上复制出周期为120 nm的纳米光栅。

激光烧蚀在材料加工中的应用及其机理研究进展I:在加工领域和表面改性纳米光栅方面应用

本文简要介绍脉冲激光技术的演化和物理基础,激光烧蚀技术在材料加工在传统领域激光打孔、切割、焊接等传统领域方面的应用及其最新发展。同时介绍了该技术在材料表面改性和飞秒激光诱导材料表面周期性结构(纳米光栅)的制备领域的应用及其最新发现。

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600nm,H=40nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5RIU^(-1),其灵敏度高达626nm·RIU^(-1)。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。

基于LSTM的矩形纳米光栅AFM图像复原方法

原子力显微镜(AFM)利用探针与待测物之间的交互作用力进行成像,通过获取矩形纳米光栅计量标准器具的高分辨率成像得到相关的几何量参数并进行标定,实现从标准计量器具到工作计量器具的量值传递。在AFM扫描过程中,由于针尖的影响作用,使得扫描所获图像是探针和样品共同作用的结果,而不是样品形貌的真实描述。针对这一现象,本文提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的AFM图像复原方法,该方法对通过膨胀法获得的仿真图像各扫描行进行训练,进而获得适用于矩形纳米光栅AFM图像复原模型。实验结果表明,针对线宽20 nm,高40 nm的矩形纳米光栅,经过该方法复原后光栅线宽的相对误差为7.40%,相较于传统的复原方法进一步提高了测量准确度。

纳米光栅微陀螺前置放大电路的设计与分析

针对纳米光栅微陀螺输出微安甚至皮安级的微弱电流信号,设计微弱电流信号的前置放大电路,研究微弱电流信号检测与电路稳定性的理论,提出一种低成本、低噪声、高信噪比的微弱电流检测方法,即高阻型的I-V转化法,并给出高阻型I-V转化电路的响应带宽计算公式以及电路稳定性的分析方法。通过搭建测试台,对电路性能及功能进行实际测试。实验结果表明:该电路可对皮安级的微弱电流信号进行检测放大,电路灵敏度为10 mV/pA,最大检测误差为1.5%(当输入微弱电流值>10 pA时),满足纳米光栅微陀螺的微弱电流检测的需求。

SOI基纳米光栅耦合器的结构改进与仿真验证

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低,对准难度大的问题,提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性,结合光纤准直器的准直原理,系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响,得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进,增加了后反射器、增透膜和底层介质膜,并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数,得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%,3dB带宽达到65nm。

基于AFM氮化硅探针刻蚀方法制作聚碳酸酯纳米光栅

基于原子力显微镜（AFM）探针的纳米机械刻蚀技术以其成本低、分辨率高的优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造中．为了得到最优的光栅结构，首先通过单次刻蚀实验定量分析了刻蚀方向、加栽力和刻蚀速率等3个主要加工参数对所得纳米沟槽形貌和尺寸的影响，给出了普通氮化硅探针对聚碳酸酯（PC）的加工特性及加工效率．然后通过改变沟槽间距（100—500nm）得到了不同周期的纳米光栅结构，并确定了这种探针与样品的组合对间距的要求及最佳加工参数：沿垂直于微悬臂长轴向右刻蚀，加载力2．3μN，刻蚀速率2．6μm／s．最后利用该技术对实验室已有原子光刻技术所得周期为213nm的一维Cr原子光栅结构进行了复制加工。得到了均匀的213nm一维光栅，证明这种基于AFM探针的纳米机械刻蚀技术可被广泛应用于纳米加工．

基于纳米光栅泰伯效应的三轴加速度计仿真设计

基于纳米光栅近场泰伯自成像效应,提出一种双层光栅透射检测式的单片集成三轴微加速度计的设计方案,利用双层光栅的面内运动和离面运动分别对x,y,z轴加速度分别进行检测。通过对加速度计结构和双层纳米光栅结构尺寸分别进行仿真设计,并计算结构灵敏度和光学效应灵敏度的大小,完成了器件的优化设计与仿真研究。仿真结果表明:单片三轴微加速度计的面内检测灵敏度为1.67μm/g_(n),离面检测灵敏度为1.41μm/g_(n),结合纳米光栅光学效应的优化仿真,最终实现面内x,y轴加速度计灵敏度为0.038 V/g_(n),离面z轴加速度计灵敏度为0.406 V/g_(n)。

抑制交叉轴干扰的纳米光栅加速度计

为了解决纳米光栅加速度计交叉轴干扰的问题,提出了一种原理可行、工艺可行的加速度计结构设计及加工方法。首先,介绍了双光栅加速度计的工作原理及结构组成,通过Ansys结构仿真和COMSOL双光栅仿真,验证了交叉轴干扰对双光栅离面加速度计性能测试不可忽略的影响。其次,提出了一种抗交叉轴干扰、且工艺简单的加速度计结构。仿真结果表明:该结构能有效避免交叉轴干扰,且具有较高的结构灵敏度。最后,基于SOI片对双光栅离面加速度计的加工方案进行完整描述,验证了这种加速度计加工方法的可行性及易操作性,为抗交叉轴干扰的离面加速度计设计和制作提供了思路。

纳米光栅制作技术的最新进展

随着信息化社会的高速发展,现代光栅逐渐应用于信息处理及量子光学等领域,所以纳米光栅的制作变得十分重要。作者首先简要介绍了纳米光栅制作的几种传统方法,包括机械刻划、全息光刻、飞秒激光直写等。传统方法均存在成本高、工期长、条件苛刻、制作过程复杂且难以控制等缺点。在此基础上,作者综述了最新发展起来的基于薄膜应力自组装制作纳米光栅的方法,并对该方法的实验原理、物理机制和适用范围进行了深入讨论。

纳米光栅动静态校准工作台

为了改善纳米光栅校准装置校准精度、校准量程及动态频响难以兼顾的问题,采用宏微运动控制方法驱动校准装置作快速、精密、大范围运动。宏动平台由静压气浮导轨和直线电机组合而成,微动平台由柔性铰链和压电陶瓷构成。对宏动平台和微动平台进行动力学建模,并获得宏微运动平台的传递函数。设计微动跟随宏动和宏动跟随微动两种控制策略,并进行建模和仿真分析,利用搭建的实验平台进行了校准装置的性能测试。实验结果表明:宏动跟随微动控制策略具有较高的动态频响性能,校准装置在全行程20 mm内分辨力达到5 nm;在幅值为0.05 mm的正弦频率响应实验中,动态频响达到100 Hz,可满足纳米光栅的动静态校准要求。