亚波长纳米金属光栅偏振聚光器设计

为有效利用白天和夜晚的全天候偏振光信息,进一步拓展偏振光导航系统在微光环境下的应用,基于昆虫复眼的偏振视觉仿生原理,设计了一种亚波长光栅式平面金属聚光透镜结构,可以在保证偏振信息采集的同时实现微光环境中光的聚焦增强。基于表面等离子体激元光学理论,利用具有特定变化规律的变间距w和变高度d的纳米金属光栅阵列结构,设计了一种新型亚波长纳米金属光栅偏振聚光器。采用时域有限差分(FDTD)方法,对聚光器的结构参数进行了数值模拟,通过对聚光器光场分布的优化分析,给出了各参数对焦点位置和聚焦效果的影响规律,同时求解了TM光的透射率。其中最优结构的焦点位置位于偏振聚光器光出口2 798 nm,光强值提高到了16倍。在450 nm的偏振光导航器敏感波段其透射率约为63%。提出的新型金属光栅偏振聚光器结构为未来微纳偏振导航器件的光学设计与集成制造提供了有效的参考。

纳米金属光栅结构的表面等离子滤波器设计

提出了一种纳米金属光栅结构的高灵敏度的表面等离子共振分光滤波器,采用严格耦合波理论分析了横磁波在金属光栅层-介质层的光谱特性,以633 nm作为中心波长入射时,优化后的几何参数分别为二氧化硅介质层d=2.5μm,Ag光栅高度h=10 nm,光栅占空比f=0.35时出现一个深的、窄的和半峰值全宽小于3 nm的锐利透射峰.

基于纳米金属光栅的透射光谱调制器

纳米金属光栅上的表面等离子体共振(SPR)对临近材料折射率变化敏感,因此通过改变临近材料折射率,可以实现纳米金属光栅透射光谱的颜色调制进而用于显示器件,该调制器具有结构简单、色度和对比度高等特点。通过仿真设计实现了红绿蓝三个子像素的透射彩色显示。实验制备了周期为520 nm、铝厚度为50 nm的双层金属光栅,并通过改变光栅临近材料折射率,实现了空气中为绿色亮态显示、蔗糖溶液中为暗态显示的效果,明暗对比度达到122。从理论和实验两方面证明了基于金属光栅结构的彩色显示和亮度调节的可行性,为未来电浸润显示器件提供了新的设计方案。

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.

金属纳米光栅表面等离子体共振光学传播特性

本文分析了几种典型沟槽形状的金属纳米光栅(MNG)的光波传播特性。利用多重多级子程序法(MMP)计算了光栅形状和入射光波长对反射率和透射率的影响。结果显示,金属纳米光栅存在表面等离子体共振(SPR)和局域化表面等离子体共振(LSPR)两种共振模式。LSPR共振波长强烈依赖于光栅的沟槽形状、槽深、槽宽等结构参数,呈现宽带光谱响应机制,而SPR更多的依赖于光栅周期大小,呈现窄带光谱响应机制。两种共振模式的不同特性拓展了我们对金属纳米光栅的光学传播特性的认识,这对根据需要合理设计金属纳米光栅有重要的指导意义。

基于Zynq处理器的成像式偏振导航传感器

偏振导航是一种受昆虫偏振视觉启发的仿生天文导航方法。使用纳米压印技术将金属纳米光栅阵列集成在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的感光区域,制作出模仿昆虫感知偏振光的偏振敏感器件。采用现场可编程门阵列(FPGA)与高级精简指令集机器(ARM)架构相异构的主控芯片Zynq实时处理偏振信息,制作了成像式偏振导航传感器。传感器在FPGA端实现了偏振图像的采集、解码以及解算的硬件加速,在ARM端移植Linux系统,实现多任务之间的协作和同步。可通过预留的串口输出航向角、网口输出图像,频率约为10 Hz。标定后传感器室内实验偏振角误差为±0.15°,从室外实验采集的大气偏振分布模式图中能清晰分辨出太阳子午线,经过补偿后航向角误差为±0.4°。

基于FPGA与CMOS图像传感器的集成式偏振导航传感器

偏振导航传感器以天空偏振光场为导航信息源,具有无源自主、实时性好、无误差累积等优点。以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器作为光电转换器件,可以解决基于光电二极管的偏振导航传感器易受干扰的问题。基于集成了六方向金属纳米光栅的CMOS图像传感器,以现场可编程门阵列(FPGA)为处理核心设计了仿生偏振导航传感器。首先,阐述了偏振导航传感器的工作原理与传感器有效数据提取算法;其次,设计了传感器的软硬件系统,在FPGA上开发了偏振信息图像的采集模块、数据筛选模块以及数据处理模块,可以实时解算出偏振角,并通过串口输出;最后对传感器性能进行了实验验证。结果表明,该传感器可以实时输出偏振角度,且最大角度误差为0.1°。

银纳米光栅增加晶体硅薄膜太阳能电池光吸收的研究

为了提高晶体硅（c-Si）薄膜太阳能电池对光的俘获能力，提出了一种可以显著增强光吸收的电池结构，该结构由减反射层、有源层和背反射镜组成。基于有效折射率调制的基本原则和严格耦合波理论，通过数值计算与仿真讨论了不同结构层的光学特性，计算了减反射层的透射率、背反射镜的反射率和经过优化后的c-Si薄膜太阳能电池的吸收率。在AM1．5G（地表面上接受到的以48。入射的太阳光谱，包含漫反射）照射下，当入射角小于75°，有源层的厚度为20μm时，太阳能电池在400～850nm、850～1000nm、1000～1100nm波长范围内平均吸收率分别为85．7％、49％、14％，有效弥补了c—Si薄膜太阳能电池近红外波段吸收不足的缺陷。

一种高度集成化的仿生偏振导航传感器

模仿昆虫复眼中的偏振敏感神经结构,利用四方向金属纳米光栅、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和微控制器(MCU)设计了高度集成化的仿生偏振导航传感器。首先,利用纳米压印工艺将四方向金属纳米光栅直接集成在CMOS上,各偏振化单元角度精确,没有分立器件带来的装配误差。MCU采集含有偏振信息的图片,对原始图像进行预处理后,提取各偏振区域的光强值,计算偏振方位角并通过串口输出。最后,在室内积分球下对光栅局部缺陷和光学特性参数进行校正,标定后的传感器测量角度误差不超过±0.2°。提出的传感器具有集成度高、体积小、鲁棒性好等优点,依靠大气中稳定的偏振分布模式可以实现自主导航。

像素偏振片阵列制备及其在偏振图像增强中的应用

像素偏振片阵列在实时测量光的斯托克斯参量方面具有重要的应用.本文设计和制作了基于金属铝纳米光栅的像素偏振片阵列,制作工艺基于电子束曝光技术.偏振片阵列单元尺寸为7.4μm,每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0,7π/4,π/2和3π/4.光栅周期为140 nm,占空比为0.5,深度100 nm,光栅面型为矩形.像素偏振片阵列的扫描电子显微镜照片显示,制备的偏振片阵列的金属纳米光栅栅线无断线、无交叉、无杂物污染,光栅栅线结构平直,厚度均匀,满足理想矩形面型.采用偏振光作为照明光的光学显微镜拍摄图片显示,像素偏振片阵列整体形状规则,具有很好的偏振特性,最大偏振透射率可达到79.3%,消光比可达到454.将像素偏振片阵列与CCD(charge coupled device)集成在一起,采集单帧图像即可计算图像的斯托克斯参量,从而得到拍摄物体线偏振度图像和线偏振角图像,实现了偏振增强,可应用于目标反隐和识别.