提高低折射率双面相位光栅在透射模式下一阶衍射效率的方法

《Optical Materials》：Enhancement of first-order diffraction efficiency from a low-index double-sided phase grating in transmission

双面相位光栅设计通过软接触印制技术在大面积PDMS薄膜上复制DVD光栅结构，保持几何比例不变的情况下显著提升±1级衍射效率（1.57-1.84倍），尤其在532nm正入射时效果最佳。实验表明效率受入射角度和波长影响，斜射或长波长时提升幅度降低，数值模拟证实中间膜厚度可调控效率。

　　这项研究提出了一种方法，用于在不改变光栅的纵横比（aspect ratio）的前提下，提高一维表面光栅的零级衍射效率。研究人员设计了一种双面光栅结构，它由透明聚合物薄膜的两面平行的沟槽组成。通过这种方法，他们能够在可见光波段（400-700纳米）内显著提升光栅的衍射效率。研究中使用了两种正交偏振的激光源（532纳米和650纳米）进行测量，结果显示双面光栅在零级衍射效率方面具有更好的表现。此外，研究人员还利用电磁模拟方法，基于严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA）对单面和双面光栅的衍射效率进行了比较，并发现通过调整双面光栅中两个光栅之间的薄膜厚度，可以进一步优化其衍射效率。

在传统的单面光栅结构中，沟槽仅存在于材料的一侧，而双面光栅则在两侧都有沟槽，这种设计使得光在穿过材料时能够与两侧的结构相互作用，从而增强了衍射效率。在可见光范围内，双面光栅的零级衍射效率提升幅度达到了1.57到1.84倍，而在斜入射或较长波长（如650纳米）的情况下，这种提升效果则有所减弱。这表明，双面光栅在特定条件下，特别是正交偏振的激光照射下，可以表现出更高的衍射效率。然而，对于斜入射的情况，由于光与沟槽的相互作用角度变化，效率提升的幅度则相对较小。

研究人员采用了一种称为软压印光刻（soft-imprint lithography）的技术来制作这些双面光栅。该技术利用了商业化的DVD作为母模，通过复制DVD上的光栅图案，成功地在PDMS（聚二甲基硅氧烷）层上形成了具有亚微米级沟槽间距的光栅结构。这种方法不仅能够实现高精度的微纳结构复制，而且成本较低，适合大规模生产。为了确保光栅的结构质量，研究团队使用了原子力显微镜（AFM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对样品进行了表征，这些手段能够提供精确的表面形貌信息，从而验证了双面光栅的设计是否符合预期。

在实验测量方面，研究人员采用了两种不同的光学系统。第一种系统使用了宽带的白光光源，其波长范围覆盖了350到1100纳米。通过这种系统，他们能够观察光栅在可见光波段内的整体衍射性能。第二种系统则采用了532纳米和650纳米的连续波激光源，用于研究特定波长下的衍射效率以及偏振对衍射性能的影响。实验结果显示，在532纳米波长下，双面光栅的零级衍射效率提升幅度达到了1.57到1.84倍，而在650纳米波长下，提升幅度则有所下降，但仍保持了较高的效率。这表明，双面光栅的衍射效率提升在特定波长下更为显著，而在其他波长下则受到一定限制。

除了实验验证，研究人员还进行了电磁模拟，以进一步理解双面光栅在不同条件下的衍射行为。模拟结果表明，双面光栅的零级衍射效率确实高于单面光栅，并且可以通过调整两个光栅之间的薄膜厚度来优化这一性能。这种调节方式为实际应用提供了更大的灵活性，使得研究人员可以根据具体需求调整光栅的参数，从而获得最佳的衍射效率。此外，模拟还揭示了双面光栅在不同入射角和偏振状态下的表现，这有助于进一步优化其设计和应用。

从实际应用的角度来看，双面光栅的设计具有重要的意义。传统的高效率光栅通常需要较高的纵横比，这在制造过程中带来了较高的成本和技术难度。而双面光栅则能够在不改变纵横比的前提下，实现更高的衍射效率，这使得其在一些对制造成本敏感的应用领域中更具优势。例如，在光谱分析、光通信和光学传感等领域，高效率的光栅能够显著提高系统的性能和可靠性。此外，双面光栅还可以用于生成特定的光学现象，如Fabry–Perot准束缚态在连续（BIC）等，这些现象在某些高精度光学应用中具有重要的价值。

总的来说，这项研究为提高光栅的衍射效率提供了一种创新的解决方案，同时探索了其在不同波长和偏振条件下的表现。通过使用软压印光刻技术，研究人员成功地实现了低成本、高精度的双面光栅制作，并通过实验和模拟验证了其性能优势。这一成果不仅拓展了光栅在光学领域的应用范围，也为未来相关技术的发展提供了新的思路和方向。