Anotacija
Difrakcijos gardelės yra pagrindiniai optiniai komponentai, pasižymintys bangos ilgio padalijimu, fazės moduliavimu ir bangos fronto manipuliavimo galimybėmis. Jie buvo plačiai sukurti ir taikomi sukimosi -bangų fotonikoje, ekstremalių ultravioletinių (EUV) / minkštųjų rentgeno spindulių spektroskopijoje, neutronų optikoje, silicio fotoninio ryšio įrenginiuose ir didelės-apertūros didelės- tikslumo optinėse sistemose. Šioje apžvalgoje apibendrinami penki naujausi funkcinių difrakcijos grotelių tyrimai, daugiausia dėmesio skiriant jų konstrukciniams projektams, gamybos būdams, darbo mechanizmams, pagrindiniams veiklos rodikliams ir taikymo scenarijams. Dabartiniai techniniai pasiekimai, esami apribojimai ir būsimos grotelių plėtros kryptys įvairiose srityse yra sistemingai analizuojamos, siekiant pateikti išsamią informaciją apie tolesnius-grotelių-pagrįstų optinių įrenginių tyrimus.
1. Įvadas
Difrakcijos gardelės, kaip pagrindiniai difrakciniai optiniai elementai, atlieka spektrinį atskyrimą, pluošto fokusavimą, poliarizacijos valdymą ir bangos fronto valdymą, naudojant periodines mikro{0}}nano struktūras. Tobulėjant mikrogamybai, fotoninei integracijai ir įvairioms-disciplininėms optinėms technologijoms, tradicinės grotelės virto įvairiais funkciniais įrenginiais, laužančiais klasikinės optikos taikymo ribas. Surinkti penki tyrimai apima sukimosi-bangų įgaubtas gardeles, EUV/minkštųjų rentgeno spindulių išjungimo{{6} plokštumines spektrometrines gardeles, holografines polimerines kompozicines neutronines gardeles, silicio fotoninės poliarizacijos-nepriklausomas demultipleksavimo gardeles ir metro{8}}didelę-lygio{9}holografinę gardelę. Šie darbai taikomi skirtingiems techniniams poreikiams, įskaitant-lustų magnoniką, didelės{12}energijos spindulių spektroskopiją, neutronų interferometriją, optinį ryšį ir didelės{13}}galios lazerines sistemas. Šioje apžvalgoje pateikiamos pagrindinės kiekvieno tyrimo naujovės, techniniai parametrai ir praktinės vertės, aptariami bendri grotelių technologijos iššūkiai ir plėtros tendencijos.
2. Tyrimų pagal sritis apžvalga
2.1 Įgaubtos grotelės sukimosi{1}}bangų optikai (1 dokumentas)
Šis darbas eksperimentiškai demonstravo Rowland{0}}tipo įgaubtas groteles, pagamintas iš plonų itrio geležies granato (YIG) plėvelių, skirtų manipuliuoti sukimosi bangomis, kuri yra sukurta kaip mikrobangų spektrometras sukimosi-bangų signalų analizei.
Pagrindinis dizainas ir gamyba
Grotelių raštas buvo suformuotas fokusuoto jonų pluošto (FIB) apšvitinimu, o ne pašalinus medžiagą. Didelės-dozės Ga⁺ jonų bombardavimas lokaliai pašalino YIG ferimagnetines savybes ir sudarė periodinę sukimosi -bangų difrakcijos moduliaciją. Prietaisas pritaikytas klasikiniam Rowland išdėstymui, kuris integruoja difrakcijos ir fokusavimo funkcijas be papildomų objektyvo komponentų, prisitaikydamas prie trumpo sukimosi bangų sklidimo ilgio.
Darbo mechanizmas
Buvo aptiktas netikėtas netiesinis netiesioginis sukimosi-bangos sužadinimo mechanizmas: vietoj tiesioginio sužadinimo koplanarinio bangolaidžio (CPW) magnetiniais laukais, sukimosi bangos daugiausia buvo generuojamos didelės -amplitudės ilgio-bangos ilgio stovinčių bangų, susidariusių už grotelių, dipolių laukų. Šis netiesioginis sužadinimas labai pagerina trumpo-bangos ilgio sukimosi bangų sužadinimo efektyvumą atstumu nuo bangolaidžio.
Našumas ir apribojimai
· Difrakcijos modeliai, išmatuoti naudojant magnetinio optinio kero efekto (trMOKE) vaizdą, išmatuoti pagal laiką, atitinka teorinius skaičiavimus ir mikromagnetinius modeliavimus (MuMax3). Difrakcijos židinio taškai iš esmės laikosi Rowland apskritimo taisyklės.
· Pagrindinis apribojimas: netiesinio rezonanso mechanizmas veikia tik vieno-dažnio signalams ir sukelia spektrinę taršą kelių-dažnių įvestims, todėl dabartinis įrenginys negali atlikti kelių-dažnių spektrinio skaidymo.
Paraiškos perspektyva
Šis tyrimas atveria kelią optiniams įrenginiams su-spiningomis{1}}bangomis ir po-von Neumanno bangomis{3}}pagrįstiems skaičiavimams. Tikimasi, kad naudojant linijinio sužadinimo režimus Rowland įgaubtos grotelės taps praktišku mikrobangų spektrometru ant lusto.
2.2 Didelio-efektyvumo aberacijos-laisvos grotelės, skirtos EUV ir minkštajai rentgeno spektroskopijai- (2 dokumentas)
Šis tyrimas, skirtas mažo pralaidumo ir impulsų iškraipymo problemoms, susijusioms su tradiciniais EUV / minkštųjų rentgeno spindulių spektrometrais, pasiūlė dvigubą -optinį išjungti-plokštumos gardelės spektrometrą / monochromatorių, pagrįstą kūgine difrakcijos geometrija.
Pagrindinės naujovės
Sujungdama toroidinį veidrodį ir vieną vienodą glazūruotą groteles, sistema realizuoja erdvinės aberacijos kompensavimą tiesiog reguliuodama toroidinio veidrodžio azimutinį kampą. Gardelinės difrakcijos sukuriamą aberaciją neutralizuoja veidrodis, todėl nebereikia sudėtingų kintamų-linijinių-gartelių arba kelių{3}}pakopių optinių struktūrų.
Pagrindinis našumas
· Pralaidumo efektyvumas: teorinis efektyvumas viršija 60%, o eksperimentinis vidutinis efektyvumas viršija 40%, daug didesnis nei tradicinių EUV spektrinių įrenginių.
· Spectral resolution: λ/Δλ>200 visoje darbo juostoje.
· Laikinoji sklaida: impulso išplėtimas ribojamas iki 80 fs (uodegos-iki-uodegos) ir 29 fs (FWHM), o tai atitinka femtosekundinės itin greitos spektroskopijos ir siurblio-zondo eksperimentų reikalavimus.
· Poliarizacijos išlaikymas: prietaisas palaiko apskrito ir elipsės poliarizacijos būsenas 1, 2 ir 3 difrakcijos eilėse.
Taikymo scenarijai
Jis taikomas aukštos -laipsnio harmonikų generavimo (HHG) šviesos šaltinio aptikimui, nanovaizdavimui, medžiagų itin sparčiai dinaminei analizei ir gali būti lanksčiai perjungiamas tarp spektrometro ir monochromatoriaus režimų, kad būtų galima naudoti plačią EUV-minkštųjų rentgeno spindulių juostą.
2.3 Holografinės hiperšakotosios polimerinės kompozicinės grotelės, skirtos neutronų optikai (3 dokumentas)
Šio tyrimo metu buvo sukurta holografinė nanodalelių -polimero kompozito (NPC) gardelė, naudojant hiperšakotąjį polimerą (HBP) kaip funkcinę terpę, ir patvirtintas jos puikus neutronų difrakcijos efektyvumas šalto ir labai šalto neutronų (VCN) optinėms sistemoms.
Medžiaga ir gamyba
Grotelės buvo pagamintos naudojant dviejų{0}}sijų holografinį įrašą. HBP nanodalelės su itin -aukštu lūžio rodikliu (nNP=1.82) buvo išsklaidytos polimero pagrinde, sudarydamos periodines struktūras su dideliu lūžio rodiklio moduliavimu. Grotelių periodas yra 500 nm, o fizinis storis yra apie 8,4 μm.
Neutronų optinis našumas
· Esant 2 nm neutronų bangos ilgiui, gardelė pasiekia itin didelę neutronų sklaidos ilgio tankio (SLD) moduliacijos amplitudę: pirmosios eilės moduliacijos amplitudė siekia 14,9 μm−2, o tai yra maždaug 8 kartus didesnė nei esamų nanodeimantų{5} neutronų tinklelio.
· Atliekant SANS-I neutronų difrakcijos testus buvo pastebėtos aiškios 0, ±1, ± 2 difrakcijos dėmės, o daugia-bangų sujungimo analizė patvirtina puikias difrakcijos charakteristikas.
Iššūkiai ir perspektyvos
Antrinė sklaida, kurią sukelia didelė moduliacija, pablogins trukdžių kraštą holografinio įrašymo metu, kai grotelės storis padidės. Medžiagos sudėties ir įrašymo sąlygų optimizavimas, siekiant padidinti grotelių storį išlaikant konstrukcijos vientisumą, yra pagrindinė tolesnių veiksmų kryptis. Grotelės yra perspektyvus kandidatas į naujos-kartos neutronų interferometrus ir lėtųjų neutronų optinius komponentus.
2.4 Poliarizacija-Nepriklausomos bangos ilgio demultipleksinės gardelės, skirtos silicio fotonikai (4 dokumentas)
Buvo pasiūlyta viena išgraviruota difrakcijos grotelė (EDG) ant silicio nitrido (Si3N4) platformos, skirta bangos ilgio dalijimosi tankinimo (WDM) optiniam ryšiui, sprendžiant tradicinių silicio fotoninių demultiplekserių priklausomybės nuo poliarizacijos problemą.
Darbo principas
Dizainas išradingai panaudoja bangolaidžio dvigubo lūžio efektą: TE ir TM poliarizuotos šviesos turi skirtingus efektyvius lūžio rodiklius plokštės bangolaidžiuose, todėl Rowland apskritime atsiranda skirtingi difrakcijos kampai. Taigi, bangos ilgio demultipleksavimas ir poliarizacijos padalijimas yra realizuojami vienu metu viename grotelių įrenginyje.
Įrenginio parametrai ir našumas
· Įrenginio plotas yra tik 320 × 230 μm2, palaikantis keturių-kanalų CWDM signalo demultipleksavimą (išvesties 8 pavieniai -poliarizacijos kanalai).
· Įterpimo nuostoliai: 0,5–2,4 dB; Nuo poliarizacijos-priklausomų nuostolių (PDL): 0,5–1,8 dB; Skersinis perdavimas: mažesnis nei –30 dB.
· Testai su savavališka poliarizacija (tiesine, elipsine, apskrita) krentančia šviesa įrodo stabilią išvestį, visiškai realizuojant poliarizacijos-nepriklausomą veikimą.
Techninė vertė
Skirtingai nuo tradicinių poliarizacijos įvairovės schemų, reikalaujančių pakopinių kelių įrenginių, šis vienas EDG supaprastina sistemos struktūrą. Tai universalus sprendimas poliarizacijai -nejautriems įrenginiams ant dvipusio silicio fotoninių platformų ir gali būti monolitiškai integruotas su didelio tankio optinių siųstuvų-imtuvų fotodiodais.
2.5 Didelės-Didelės diafragmos-Tikslios holografinės grotelės (5 dokumentas)
Buvo sukurtas skenavimo trukdžių lauko poveikio sistemų rinkinys, skirtas gaminti matuoklio{0}}lygmens didelės-diafragmos holografines groteles, daugiausia dėmesio skiriant grotelių griovelių klaidų ir bangos fronto aberacijos valdymui.
Pagrindiniai techniniai laimėjimai
Buvo išspręstos trys pagrindinės techninės problemos:
1. Integruotas poslinkio matavimas: derinant grotelių jutimą ir lazerinę interferometriją, scenos padėties nustatymo pakartojamumas pasiekia ±6 nm esant dideliam judesiui (daugiau nei 1 m), slopinant aplinkos trukdžius.
2. Trukdžių pakraščio tikslumo valdymas: pakraščio krypties paklaida optimizuota iki 0,677 μrad, o periodo paklaida RMS yra 0,42616 ppm.
3. Realaus-laikinio fazės kompensavimas: dinaminis fazės-užrakinimo modelis, pagrįstas heterodinine interferometrija, kompensuoja stadijos -sukeltas fazės klaidas, kai statinės/dinaminės pakraščio fazės 3σ reikšmės yra mažesnės nei 0,355 rad.
Gamybos rezultatai
Buvo sėkmingai pagamintos didelės-1500 mm × 420 mm apertūrinės grotelės:
· Bangos fronto aberacija: 0,327λ @ 632,8 nm;
· Bangos fronto gradientas: 16,444 nm/cm;
· Puikios grotelių griovelio konsistencijos, išvengiant tradicinių segmentinių grotelių sandūrų siūlių.
Taikymo laukai
Šios didelės-diafragmos didelio-tikslumo gardelės yra pagrindinis čirpiojo impulso stiprinimo (CPA) sistemų, didelės-energijos lazerių, astronominių spektrometrų ir itin-tikslaus poslinkio matavimo įrangos komponentas.
3. Išsami analizė ir diskusija
3.1 Bendrosios techninės charakteristikos
1. Visuotinis Rowland / įgaubtų grotelių konfigūracijos pritaikymas: keli tyrimai (suk-bangų grotelės, ryšio EDG grotelės) naudoja Rowland apskritimo struktūrą, kuri integruoja difrakciją ir fokusavimą, praleidžiant pagalbinius lęšius ir prisitaikant prie miniatiūrizavimo ir lustų integravimo poreikių.
2. Įvairios mikrogamybos technologijos: skirtingoms medžiagų sistemoms (YIG, polimerinis kompozitas, silicio nitridas, fotorezistas) taikomas FIB modeliavimas, holografinis ekspozicija, sausas ofortas, skenuojanti interferencinė litografija, formuojant tikslines apdorojimo schemas.
3. Našumo optimizavimas, pagrįstas optinės aberacijos / moduliacijos valdymu: nesvarbu, ar tai būtų EUV gardelės (aberacijos kompensavimas), neutroninės gardelės (SLD moduliacijos pagerinimas), ar didelės -diafragmos gardelės (griovelio klaidų slopinimas), pagrindinė optimizavimo kryptis yra pagerinti difrakcijos kokybę ir energijos panaudojimą.
3.2 Esami bendri iššūkiai
1. Darbo sąlygų apribojimai: kai kurios funkcinės grotelės (pvz., sukimosi-bangos įgaubtos grotelės) yra ribojamos sužadinimo mechanizmų ir gali veikti tik naudojant vieną-dažnio įvestį, o tai riboja praktinį pritaikymą.
2. Medžiagų ir perdirbimo kompromisai: polimerinių neutroninių grotelių atveju didelę moduliaciją lydi antrinė sklaida; Silicio nitrido ryšio grotelėms, balansuojant bangolaidžio dvigubą lūžio ir atspindžio juostos plotį, reikia griežtai optimizuoti storį.
3. Didelės-diafragmos įrenginio sunkumai: matuoklio-lygio grotelės susiduria su ilgalaikiu- poveikiu, aplinkos trukdžiais ir sujungimo klaidomis, kurios padidina gamybos įrangos ir technologijos slenkstį.
4. Pralaidumo ir poliarizacijos balansas: EUV, optinio ryšio ir kitose srityse sunku pasiekti aukštą efektyvumą, didelę skiriamąją gebą ir visišką poliarizacijos pritaikymą vienu metu.
3.3 Plėtros tendencijos
1. Integravimas ir miniatiūrizavimas: grotelės bus toliau derinamos su lustiniais fotoniniais, magnoniniais ir mikrobangų įrenginiais, siekiant sukurti visiškai integruotas miniatiūrines skaičiavimo ir ryšio sistemas.
2. Plačiajuostis ir daugiafunkcinis integravimas: su kelių dažnių, kelių juostų ir daugialypės -poliarizacijos suderinamų grotelių kūrimas, kad būtų pažeisti vienos darbo būsenos apribojimai.
3. Itin-didelė diafragma ir itin-didelis tikslumas: atsižvelgiant į didelės-energijos lazerių ir didelių mokslinių instrumentų poreikį, besiūlės metro-lygio nanoskalės tikslumo grotelės taps svarbia plėtros kryptimi.
4. Kryžminis -vidutinis išplėtimas: grotelių technologijos išplėtimas nuo tradicinės optikos iki sukimosi bangų, neutronų ir kitų bangų sistemų, siekiant išplėsti difrakcinės optikos taikymo ribas.
4. Išvada
Difrakcinės gardelės, kaip universalūs difrakciniai elementai, padarė didelę pažangą sukimosi-bangų fotonikos, EUV/minkštosios rentgeno spinduliuotės spektroskopijos, neutronų optikos, silicio-pagrįsto optinio ryšio ir didelių lazerinių sistemų srityse. Penki reprezentatyvūs tyrimai apima skirtingas medžiagų sistemas, gamybos metodus ir darbo mechanizmus ir atitinkamai išsprendžia mažo efektyvumo, priklausomybės nuo poliarizacijos, ribotos diafragmos ir prastos spektrinės skiriamosios gebos atitinkamuose laukuose skausmo taškus.
Šiuo metu grotelių technologija vis dar susiduria su iššūkiais, tokiais kaip darbo sąlygų apribojimai, perdirbimo kompromisai{0}} ir atsparumas aplinkos trikdžiams. Ateityje, nuolat diegiant mikro-nano gamybos, optinio lauko valdymo ir medžiagų dizaino naujoves, funkcinės difrakcijos grotelės bus skirtos didesniam tikslumui, didesnei diafragmai, daugiafunkciams ir integruotiems į lustą. Jis ir toliau atliks pagrindinį vaidmenį naujos-kartos skaičiavimo, itin sparčios spektroskopijos, didelės-energijos lazerio, kvantinių matavimų ir optinių ryšių technologijų srityse.
