非连续光学表面波结构的光束非镜面反射效应研究

The non-specular reflection effect of optical beams in optical surface wave devices has become a hotly studied area recently, for its profound physical principle and important potential applications. Due to the fact that the position shift of the reflected optical beam increases from the micron-scale to the sub-millimeter-scale and in practical applications the functional region scale of the optical devices decreases with the increased integration density, the basic hypothesis of infinite and continuous surface in current theoretical studies will not work. .Based on the comprehensive consideration of optical beam size, functional region of the surface wave devices as well as the propagation distance of the surface waves, this program will give theoretical studies and experimental investigations on the non-specular reflection effects when the scale of the functional region of the surface wave devices is smaller than the optical beam size, according to the hypothesis of discontinuous surface. The underlying mechanism will also be explored. This program will also give a detailed analysis on the optical surface wave with different propagation characteristics and the effect of discontinuous structure on the non-specular reflection. Especially, we will focus on the theoretical simulation and experimental investigation of the non-specular reflection effects when the functional region of the surface wave devices is smaller than the propagation distance of the exited long-range surface wave. The work will lay important theoretical and technical foundations for integrated optical devices with novel functionalities such as sensing detection, signal processing and etc.

光学表面波器件中存在的光束的非镜面反射效应由于具有深刻的物理内涵和重要潜在应用成为近年来的研究热点。随着由非镜面反射效应造成的可实现的反射光束位置移动从微米量级增大到了亚毫米量级，以及实际应用中光学器件的功能区域尺度随着集成度的提高而不断缩小，现有理论研究中的无限大、连续反射表面的基本假设将不再适用。本项目基于对光束尺寸、表面波器件的功能区域、以及表面波传输尺度的综合考虑，根据非连续表面假设，对表面波器件的功能区域小于光束尺寸情况下的非镜面反射效应进行理论建模和实验研究，探索其作用机理；本项目将对不同传输特性的光学表面波及其非连续结构对非镜面反射效应的影响进行分析，特别是对于表面波器件的功能化区域小于所激发长程表面波的传输距离的情况下的非镜面反射效应进行理论仿真和实验研究。为设计、实现具有传感检测、信号处理等功能的新型表面波光束非镜面反射效应集成光学器件提供重要的理论和技术基础。

光学表面波由于对于外界折射率变化敏感因而在高灵敏度传感技术等方面发挥了重要的作用，由于光学表面波的激发能大大增强光束的非镜面反射效应这一具有深刻的物理内涵和重要潜在应用的现象，因而成为近年来的研究热点。随着由非镜面反射效应造成的可实现的反射光束位置移动从波长量级增大到了微米乃至亚毫米量级，这一以往只存在理论研究价值的物理光学效应获得了更多实际应用的可能。本课题围绕光学表面波器件及其增强的非镜面反射效应，在光学模式理论研究，非镜面反射的物理机理以及其光学应用等方向展开了多方面的研究工作，从器件理论仿真、特性测试和器件系统应用等方面分别对基于介质结构的光学表面波特性、基于光学表面波增强的非镜面反射效应，包括反射光束的空间强度和相位变化、基于光学表面波及其增强的非镜面反射效应传感应用等几个方面开展了深入研究，实现并完善了光学表面波器件的仿真设计方法、加工制备及性能测试平台及流程，建立了基于光学表面波器件的非镜面反射效应研究实验平台，实验验证了基于光学表面波器件的非镜面反射效应的研究和分析方法，为从器件仿真设计到物理机理研究及系统应用实验等不同方面的研究奠定了良好基础。..本课题通过对研究内容进行的深入理论与实验研究，采用传输矩阵法对光子晶体的带隙结构进行分析，采用菲涅尔公式对其反射效应以及缓冲层的作用进行研究，采用空间角谱分析对非镜面反射效应进行了研究，利用非镜面反射光束的空间强度变化第一次实现了基于非镜面反射效应的光开关。在对非镜面反射效应的空间强度分布变化以及空间相位分布变化的研究中，第一次通过实验方法测出非镜面反射效应的空间相位分布，并利用此空间相位分布实现非镜面反射效应的空间干涉，进一步增强了非镜面反射效应造成的古斯汉辛位移。我们利用光学表面波增强的古斯汉辛位移，提出多种检测方法，实现了高灵敏度传感检测。本课题实现的关于非镜面反射效应相关的物理机理研究成果及建立的光学表面波器件性能测试及非镜面反射效应应用实验平台为今后的高灵敏度，集成传感器件研究能够提供有效的技术支持。..本课题共发表论文7篇，其中 SCI 期刊论文 2篇，国际会议论文 5 篇，申请发明专利 2项，另有两篇SCI期刊论文在投。毕业博士生2人，硕士生2人。