基于非均匀导模共振结构实现空间分光的研究

Filter-based spectroscopic device can simplify micro-spectrometer system and improve stability and integration of the instrument. However, existing filter such as wedge-shaped filter and filter arrays have many problems such as complicated processing, high cost, low light energy utilization, etc. Therefore, this project proposes a novel variable filter based on guided mode resonance effect. Due to the high sensitivity of guided mode resonance to structure parameters, composite non-uniform structure is designed to obtain continuous variation of peak wavelength and spatial light separation by using combination of varied-line-spacing grating and wedge-shaped thin film. This project will research the basic mechanism of the non-uniform guided mode resonance structure for the first time. A comprehensive study of optical property and mechanism of continuous variable filter will be conducted by the finite-difference time-domain technique. In terms of design, inversion model for structure parameters will be built based on Fano resonance theory, which means the derivation of grating period and waveguide thickness from the known spectrum. The project will also study the key fabrication technology of non-uniform guided mode resonance such as film processing, exposure monitoring, developing control, etc. The results can not only provide a new way for the design of miniature spectrophotometer, but also have important theoretical significance and practical application value for the development and perfection of guided mode resonance theory.

滤光片型分光器件能简化微型光谱仪系统，提高仪器稳定性和集成性等，但目前传统滤光片如楔形滤光片、阵列型滤光片等均存在工艺复杂、成本高、光能利用低等问题。对此，本项目提出基于导模共振效应的新型渐变滤光结构，利用导模共振光谱响应对结构参数的敏感性，将变间距光栅和楔形薄膜结合，设计复合型非均匀结构，通过滤波峰值的连续变化达到空间分光的目的。项目将首次开展非均匀导模共振结构的基础性研究，利用时域有限差分法，深入研究非均匀结构的光学特性和连续可变滤光机理。在设计方面，基于法诺共振理论建立结构参数反演模型，即由已知谱线推导光栅周期和波导层厚度；通过对薄膜加工、曝光量监测、显影量控制等工艺技术的研究，掌握非均匀导模共振结构制备的关键技术。本项目研究成果不仅可以为小型化分光器件的设计提供新途径，对导模共振理论的发展和完善都具有重要的理论意义和实际应用价值。

滤光片型分光器件能简化微型光谱仪系统，提高仪器稳定性和集成性等，但目前传统滤光片如楔形滤光片、阵列型滤光片等均存在工艺复杂、成本高、光能利用低等问题。对此，本项目提出基于导模共振效应的新型渐变滤光结构，首次开展非均匀导模共振分光结构的基础性研究。对导模共振机理进行了研究，实现了计算简单、精度高且物理机制清晰的导模共振分析模型，还完成了结构的严格光学特性数值计算，建立了“细胞”分析法，模拟渐变导模共振光栅的光学特性被初步证实是可行的。利用平面波导近似模型建立了色散方程，用于导模和F-P模式的分析，得到了结构参数和入射条件与导模共振响应之间的关系，推导出了相关函数公式。项目研究了结构参数对光耦合与衍射特性的影响研究，分析了不同结构参数对光谱响应的影响，实现了结构参数的优化；研究了非均匀导模共振结构的工艺制备方法，设计了针对非均匀结构的制备方案；制备获得变间距光栅与厚度渐变的介质波导组成的非均匀复合型分光结构，这种非均匀复合结构的不同位置对应不同的导模共振峰值，实现了可变空间滤波，即空间分光。利用结构中的变间距光栅了消除波导层厚度逐渐增大时产生的多模式导模共振效应的影响，同时还能增加光谱滤波范围。对比实验样品显示：变波导层厚度对峰值的影响量最小，为72.45nm；变周期情况下的峰值变化量为251.6nm,复合结构即由变间距光栅和变波导层共同构成的结构对应的峰值位移为365.4nm。由此证明，非均匀复合导模共振结构的峰值变化范围最大，在用作色散元件时其对应的工作范围也最大。这种结构能有效扩展导模共振型分光器件的工作范围。最后，项目还对对相关光谱特性进行检测表征。在本项目的进行过程中，与俄罗斯科学院图像处理研究所Bykov博士合作研究了基于平面波导模型的新型导模共振分析模型；与扬州大学王康妮博士合作，基于本项目相关研究成果，分别利用多层薄膜波导和较低折射率间隔层结构设计了两种导模共振激光器。