圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

双周期嵌套微结构表面的抗反射特性

为提高红外材料光学表面的抗反射能力,设计了一种具有双周期嵌套式结构抗反射超表面。通过分析在双周期嵌套式结构周围的介电常数变化情况,仿真模拟得到反射率。重点分析了当微纳结构发生变化时这种嵌套结构与单一结构表面抗反射特性的差别。通过改变嵌套结构表面占空比、顶底端直径比以及长径比等参数仿真模拟,对抗反射特性进行分析,最终优化出的结构在2.4~12 m的超宽波长范围内反射率均低于3.5%,在中长波实用波段范围内平均反射率低于1%。这种结构有效地保护了微结构形貌不被破坏,实现了单一结构抗反射特性效果的叠加,进一步降低了元件表面的反射率,可以作为一种新型的减反增透表面应用于红外窗口。     

红外圆偏振光透雾性能分析

雾对红外系统的探测性能有一定影响,圆偏振光在雾中传输时具有优良的保偏性和持久性,为解决雾的红外遮蔽问题提供了新思路。分析雾对红外光波的衰减是由吸收和散射共同作用;阐述了圆偏振光透雾是由圆偏振光波螺旋性的随机化速率缓慢和圆偏振光子在传播方向的随机化速率缓慢共同作用,致使圆偏振光受雾滴的光散射影响较小;结合圆偏振透雾机理和大气光谱特征,探究雾中目标检测的优化波段,研究表明:在近红外波段的0.78~1.1 m、1.48~1.56 m、1.63~1.86 m、2.03~2.18 m、2.39~2.5 m和中红外波段的3.6~4.15 m,适宜采用圆偏振成像技术提高红外系统透雾性能,长红外波段,雾滴的光吸收占总消光的比例增大,已不宜采用圆偏振成像技术来提高红外系统的透雾性能。最后,分析了红外圆偏振透雾技术的特点,并对深入研究提出了建议。     

外延阻挡杂质带探测器的抗反射

传统外延阻挡杂质带探测器由于其材料物性和特殊的结构设计存在很强的反射,这些能量损失非常不利于器件的探测性能。报道了一种类光栅双层超构表面微结构阵列,并将此人工微结构引入到外延阻挡杂质带红外探测器以抑制对入射光的反射。实验结果显示,具有超构表面微结构阵列的器件在波长30μm处反射率低于3%,在25.3～32.2μm波段范围内反射率低于20%。同时,该超表面减反微结构对入射光的偏振还具有很强的选择性,符合第四代焦平面发展需求。     

增强宽波段广角度减反射的类锥结构设计分析

在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发，亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此，提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法，对基底表面亚波长结构的等效折射率与减反射能力的关系进行了分析。通过对比蛾眼、圆锥及圆柱等不同结构的等效折射率对应的宽波段减反射性能，发现两种介质之间的等效折射率线性过渡无突变时减反射能力更优。以此提出了一种类锥结构设计方法，将该方法设计的三种结构与蛾眼结构在300～1100 nm波段进行了垂直入射下的表面反射率仿真分析，结果显示，该系列结构的平均反射率比蛾眼结构降低了约70%。此外，在可见光、近红外波段选取两个特征波长进行了宽角度（0～60°）下的反射率研究，结果表明，该系列结构的宽角度平均反射率均低于蛾眼结构，其中四棱类锥结构在两个特征波长下的平均反射率比蛾眼结构分别降低了62%和40%。采用此方法设计的系列结构比普通亚波长结构具有更佳的减反射效果，在超精密光学芯片、片上光集成、片上光互连等领域中具有潜在的应用前景。     

中红外石英空心微结构传能光纤的研究进展

介绍了国际上先进的课题组在中红外石英空心微结构传能光纤方面的研究进展,其中包括用空心光子带隙型光纤和负曲率空心光纤两种结构的空心微结构光纤来实现中红外光的低传输损耗和弯曲损耗。迄今为止,国际上报道的最佳结果是:在2.9~3.4μm波长范围内可实现传输损耗低于0.2d B/m,弯曲半径可到2.5cm。     

单晶硅表面金字塔微结构反射特性的研究

通过对化学腐蚀法制备的单晶硅表面微结构进行分析,建立了一种金字塔微结构的数学模型,采用时域有限差分法(FDTD)数值计算了波长在300～1 000 nm范围内微结构表面反射率随波长的变化规律,并将计算结果与实验测量结果进行了比较、分析和解释.在此基础上,针对不同实验条件下所形成的金字塔微结构差异,数值计算了几种不同参数金字塔结构表面的反射率随波长的变化规律.研究表明,反射率随金字塔的占空比和倾角的增大而减小,而金字塔尺寸变化对反射率的影响较小.当金字塔的结构参数为底边长2 μm、占空比1、倾角约60°时减反效果较好,平均反射率仅为6.28％.     

红外选择特性的计算机仿真研究

针对热光伏系统对光学滤波器利用效率不断提高的要求,研究光学滤波器红外选择特性。通过TFCALC软件仿真其膜系设计过程,选择最优的设计结构。最终设计出了一个8层的膜系结构,实现的是在800—1800hm高透,1800-3500nm高反的一个对红外光具有选择特性的光学滤波器,其使用Si和SiO2的交替结构,得到的高透射带的透射率与高反射带的反射率均在90％以上。设计结果完全符合设计标准,为提高热光伏系统的效率提供参考。     

光伏电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性研究

采用时域有限差分法(FDTD)对硅基太阳能电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性进行研究,分析了抛物锥阵列的高度、底面占空比、周期等参数对其抗反射性能的影响。研究表明,反射率随底面占空比、高度的增大而减小。在锥高600 nm且抛物锥底面直径等于周期的情况下,锥底面直径分别取128,160,213,256,320 nm时,微结构在硅的响应光谱300~1200 nm内均能获得低于3%的反射率;在此基础上提出一种大、小抛物锥相切排列的新型复合结构,将硅的响应光谱波段内的反射率进一步降低至1%以下,为硅基太阳能电池抗反射表面的设计提供了一种新的思路。     

PECVD制备SiOx-SiNx薄膜的研究

首先使用工业型Direct-PECVD设备,采用SiH4和N2O制备了SiOx薄膜.针对Si太阳电池的应用,比较了SiOx薄膜在不同射频功率、气压、气体流量比和温度下的沉积特性,得出了最佳的沉积条件,这些沉积特性包括沉积速率、折射率和腐蚀速率.在该条件下沉积的SiOx膜均匀性良好、结构致密、沉积速率稳定,其性能满足了现阶段Si太阳电池对减反钝化层的光学和电学性能方面的要求.然后制备了SiOx-SiNx叠层减反钝化膜,并比较了SiO2与SiNx单层膜的减反和钝化效果,结果显示SiOx-SiNx叠层膜在不增加反射率的同时显著提高了Si片的钝化效果.     

150 nm亚波长铝光栅的近红外偏振特性

采用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作了周期为150 nm的铝光栅,用分光光度计测量了样品的透过率随入射光偏振方向变化的关系以及在可见、近红外波段TE,TM波的透射光谱。利用严格耦合波理论对光栅的上述性能进行了数值模拟和理论分析。考察了斜入射情况下样品的性能及损耗随入射角的变化关系。理论和实验结果表明,光栅的透过率对入射光的偏振态十分敏感:在近红外范围内(1000~2000 nm)对TE波完全反射,对TM波具有90%的透过率,并且在斜入射时因入射角的增大而轻微加强。此外,还比较了不同金属材料光栅的TM波近红外透射特性,探讨了改善其性能的途径。     

一种基于光子晶体的中远红外双波段兼容伪装材料

光子晶体作为一种新型人工结构功能材料,基于其光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装。选择红外波段透明的薄膜材料A、B,设计出在中远红外波段具有高反射禁带的光子晶体,利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了反射光谱。通过构造异质结构光子晶体,实现了光子带隙的展宽,该结构光子晶体基本上实现了中远红外双波段的高反射,在2.94~5.06μm和7.66~11.98μm波段的光谱反射率接近为1;在2.91~5.12μm和7.62~12.29μm波段的光谱反射率大于95%,较好地满足了中远红外双波段兼容伪装的要求。倾斜入射时光子晶体的TM波和TE波的反射光谱是不同的,随着入射角度的增加,TM波的带隙逐渐变窄,而TE波的带隙逐渐变宽。     

Filter-response line shapes of resonant waveguide gratings

The line shape symmetry properties of planar dielectric resonant waveguide-grating filters are theoretically characterized for both TE and TM polarization. Classical antireflection theory is applied to the design of guided-mode resonance filters and it is shown that the symmetry of the line-shape response is determined by the location of the resonance relative to the minimum of the antireflection band. The conditions that allow a single dielectric layer to simultaneously function as both a waveguide grating and as an antireflection thin film are presented. Single-layer antireflection waveguide gratings are shown to yield highly symmetrical filter-response line shapes with suppressed sideband reflectivity and 100% reflectivity at the resonance wavelength. The parametric locations of the symmetrical line-shape responses are predicted approximately by solving the resonance-location equation with the grating thickness set equal to a multiple of a half-resonance-wavelength. Graphical representations of these solutions are provided. Symmetric waveguide-grating filters are shown to yield symmetrical line shapes with near-zero sideband reflectivity, whereas asymmetric filters produce symmetrical line shapes but suffer from increased sideband reflectance that increases as the asymmetry of the filter grows. Numerous calculated examples are presented to demonstrate that ideal reflection filters can be designed by combining thin-film antireflection effects and resonance effects in a single dielectric layer     

Impact of near-end residual reflectivity on the spectral performance of high-power pump lasers

Abnormal spectral characteristics are observed in high-power semiconductor pump laser modules with ultralow chip front-facet reflectivity levels. We have identified the root cause as destructive interference in an external-cavity reflection from an antireflection (AR) coated fiber tip. This suppressive external cavity imposes a practical limit on the lower desirable bound for front-facet AR coatings for high-power lasers and uncooled fiber Bragg grating stabilized semiconductor devices.     

柱面光学微结构用于红外激光防护研究

激光防护是一种可广泛应用的技术,论文针对目前红外激光防护技术中存在的可见光波段吸收强、镜面反射造成设备或人员损伤等问题,提出一种形成于光学窗口表面的红外激光非镜面反射光学微结构,具有对可见光透过率影响小,同时对1 064 nm红外激光大角度散射的功能,从而实现激光防护。文中采用光线追迹方法设计具有移位结构的双面微柱透镜阵列,阵列周期T与透镜单元曲率半径R之间需满足0 T R/27的关系。应用Virtual-Lab光学建模软件对设计的柱面微结构进行模拟,模拟结果为:可见光平均透过率下降7%,对实用结果影响很小,并可以通过可见波段镀制增透膜进行弥补;1 064 nm红外激光反射率约为75%,发散角大于30。采用数字掩模光刻技术完成微柱透镜阵列实验,实验结果与模拟结果趋势相同,最终得出结论:微柱透镜阵列能实现大角度散射,能够极大降低激光单一方向反射回波能量,从而达到了激光防护的目的。     

Ge基底LaF3-ZnS-Ge高耐用中波红外增透膜

研究了LaF3材料的蒸发特性及其在2.5~12 m红外波段的光学常数,并将LaF3晶体作为低折射率材料在Ge基底上制备了中波红外3.7~4.8 m波段高耐用性增透膜。SEM照片显示,基于LaF3材料的高耐用性增透膜表面纳米晶粒分布均匀致密,表面光洁度高。利用傅里叶变换红外光谱仪测试了其光谱特性,在3.7~4.8 m波段,峰值透射率达到99.4%,双面镀膜平均透射率由47.7%提高到98.8%。牢固度、耐久性等环境试验结果显示,膜层在保持高的光学性能的同时还可以在较为严苛的恶劣环境中使用     

Light Management with Patterned Micro‐ and Nanostructure Arrays for Photocatalysis,Photovoltaics, and Optoelectronic and Optical Devices

The design and fabrication of patterned micro‐ and nanostructure arrays have been demonstrated to be a powerful strategy toward efficient light management, which is of vital importance to a variety of photon‐related applications such as photocatalysis, photovoltaics, optoelectronic devices, and optical devices. Tunable optical reflectance, scattering, transmittance, and absorption can be readily achieved by adjusting the characteristics of the primary units in the micro‐/nanoarrays and the spatial patterns of the aligned units, thus realizing controllable light–matter interactions. This review describes various light management strategies based on patterned micro‐/nanoarrays, such as scattering enhancement, antireflection, resonances, photonic crystals, and plasmonic structures. Furthermore, recent advances in the applications of patterned micro‐/nanoarrays in photoelectrochemical water splitting, solar cells, photodetectors, light emitting diodes, lasers, color display, microlens arrays, and photonic crystal sensors are summarized, with particular attention paid to the light management mechanisms and the relationship between the structure and device performance. Lastly, the prospects and existing challenges facing the development of the photon‐related applications based on patterned micro‐/nanoarrays are discussed.     

Liquid-crystal polarization stabilizers on fiber arrays

We have built polarization stabilizer arrays of ultrathin liquid-crystal (LC) polarization controller (PC) arrays and a tap-type photodetector array on a fiber array. The ultrathin (35-/spl mu/m-thick) LC cells are inserted into trenches cut across the fiber array, which is affixed to V grooves in a glass plate and are used to change the phase of 1.55-/spl mu/m lights from 0.5 to 3.9/spl pi/ with the application of less than 3 Vrms. Two cascaded ultrathin LC cells, where the directions of alignment of the LCs are rotated by 45/spl deg/ relative to each other, are capable of converting light with an arbitrary input polarization to the transverse electric (TE) or transverse magnetic (TM) polarization. We fabricated a multichannel TE- and TM-polarization stabilizer of the previously mentioned 16-channel LC PC array and a feedback system made up of a multichannel tap-type photodetector array, sheet polarizer, and a computer and analog-to-digital converters. Feedback control was applied to maximize and minimize the tapped light, to convert an arbitrary input polarization to TM or TE output polarization, and stabilize it in the given state.