紫外-远红外超宽谱带高抗反射表面微纳米结构的超快激光制备及功能研究

材料表面抗反射特性在太阳能利用、传感、隐身、航天、军事等领域均具有重要应用价值。基于超快皮秒激光与材料的相互作用,在Cu、Al、Ti、H13钢4种金属材料表面制备出独特的微纳米复合结构,实现从紫外-远红外超宽谱带的高抗反射特性。在Al、Ti、H13钢表面制备出的微纳复合结构使该三种金属在紫外-可见-近红外波段的全反射率分别下降到10%、5%、5%。在Cu表面制备出的覆盖发达纳米颗粒的无序多孔嵌套结构在紫外-可见、紫外-近红外、紫外-中红外、以及紫外-远红外的波谱范围内的平均反射率分别下降到3%、6%、9%和10%左右,具有优异的超宽谱带抗反射特性。探讨了超宽谱带抗反射特性的形成机理及与表面微纳米结构之间的关系。     

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。     

凸面锗窗口亚波长抗反射结构的设计与制备

红外光学成像系统的灵敏度与光学窗口透射率密切相关，锗窗口是红外光学系统的常用窗口，在锗窗口上制备亚波长结构可以增强抗反射性能从而提高透射率，且常选择凸面窗口以获得更大的视场角。针对在曲面窗口上亚波长结构的制备工艺较为复杂的难题，本文运用柔性紫外纳米压印方法（soft UV-NIL），在凸面锗窗口表面高效、高质量地制作了亚波长抗反射结构。首先基于时域有限差分方法优化设计了亚波长抗反射结构参数，然后基于soft UV-NIL工艺制备了符合设计要求的亚波长结构。测试结果表明，在3.55～5.55μm波长范围内，凸面锗窗口单面平均透射率由65.81%提升到78.68%，在波长为4.4μm处，透射率由65.85%提升至83.13%，实现了中红外宽波段抗反射效果。     

微纳米结构TiO_2的飞秒激光结合化学氧化复合制备及其光催化性能

直接在Ti基底表面制备的三维微纳米复合结构TiO_2具有比表面积大、光利用效率高、电荷传输阻抗小的优势。采用飞秒激光对Ti片进行刻蚀制备微米结构,使用H_2O_2在微米结构表面氧化制备纳米多孔TiO_2。该复合方法制备的三维微纳米复合结构TiO_2在紫外波长范围内平均反射率低于5%。光催化降解甲基橙结果显示,飞秒激光制备的微米结构形状和尺寸特征对催化性能有显著影响。该复合结构性质稳定,多次降解循环速率保持不变。飞秒激光化学复合制备的方法可以充分发挥飞秒激光在Ti基底表面超精密、可控制备的优势,对实现金属表面金属氧化物功能材料的制备具有重要意义。     

纳秒脉冲激光器制备的Si表面宽带抗反射杂化结构

提出了一种通过纳秒脉冲激光器微加工制作的杂化准微金字塔型结构,与未经处理的均匀准微金字塔型结构相比,平均反射率下降了15%。通过实验,系统研究了激光能量密度、脉冲个数和图案间距对反射性能的影响。结果表明,反射率随图案间距的增加而增加,随着脉冲数增加而减少,当激光能量密度在4.83J/cm2时获得最小反射。这种技术用具有普通纵横比的微杂化结构替代高纵横比的非杂化结构,获得宽带抗反射性能,成本更低。通过优化激光加工参数能获得较高的抗反射性能。     

皮秒激光-化学复合法制备高效减反射晶硅表面微结构研究

基于皮秒激光的"冷加工"特点,进行了用皮秒激光辐照结合快速化学腐蚀(Na OH溶液:质量分数为4%,不大于3 min,80℃水浴)调控工艺制备高效减反射晶硅表面微结构的研究,在400~1000 nm波长的宽光谱范围内,获得了微-纳双结构微孔阵列和圆顶锥形周期性阵列两种减反射表面,前者的平均反射率低于5%,后者的平均反射率低于10%。制备过程中工艺可控性强,无需掩膜和真空环境。研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数的不同调控匹配在微结构单元形成中的作用机制,分析了所制备表面微结构的减反射机理,为太阳能电池和其他半导体器件中硅基减反射表面微结构的低成本激光可控制造提供了重要的指导。     

二维抗光反射亚波长周期结构的分析与实现

与传统光学抗反射膜相比, 二维抗反射亚波长周期结构可以通过调整结构尺寸、周期等参数调节整个结构的等效折射率分布, 从而达到更好的抗光反射效果。通过基于有限元方法的电磁场全波分析方法, 对纳米球形亚波长周期结构进行了深入的分析, 研究了纳米球尺寸和周期等结构参数对反射率的影响。使用溶胶-凝胶法制备了不同尺寸的二氧化硅球形纳米颗粒, 并制成密排球形颗粒样品。反射率测量实验表明该样品在可见光和红外波段具有良好的抗反射性能。并在理论计算和实验验证的基础上, 给出了一种可行的密排球形亚波长抗反射表面的设计方法。     

铝合金表面激光标记高灰度二维码工艺

为在包装铝材表面得到高灰度二维码,本团队使用纳秒脉激光对铝合金表面进行标记试验,探究了激光标记工艺对灰度的影响以及灰度变化的原因.采用CCD工业相机、紫外-可见光分光光度计、扫描电子显微镜和能谱分析仪对两种激光标记工艺(直接低速标记以及先高速再低速标记)标记前后的样本表面进行了灰度和光谱反射率测定以及微观形貌观察与分析.结果 发现:各样本的灰度与光谱反射率变化存在一致的对应关系;采用第二种激光标记工艺得到的样本表面的灰度值达到了92％,反射率降为10％～17％;产生灰度变化的原因是激光诱导铝合金表面形成了富有微米级沟孔并吸附有很多纳米球状颗粒及絮状物的抗反射结构.     

用于增强薄膜电池抗反射的微半球孔阵列研究

为了改善薄膜太阳电池表面抗反射特性,提高其对光的吸收率,在玻璃基体上制备了一种新的微纳抗反射结构,即微半球孔阵列,其周期约为10μm、深度约5μm。测试了微半球孔阵列结构的光学特性,得到这种结构的平均反射率约为1.7%,同平板无结构的玻璃相比,平均反射率降低了约6%。由测试结果可知,微半球孔阵列结构的抗反射性能得到改善,增强了薄膜太阳电池对光的捕获能力。采用紫外光刻、离子束刻蚀与湿法刻蚀相结合的工艺,整个制备工艺较简单,成本低廉,可以实现大面积应用。     

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。     

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     

硒化锌基底8～12 μm高性能增透膜的研究

为了提高硒化锌基底的透过率以及膜层的机械强度,对硒化锌基底上高性能的红外宽带减反射膜的设计与制备工艺进行了研究。介绍了红外宽带减反射膜的膜料选择、膜系的设计以及采用离子束辅助沉积该膜系的过程．给出了用该方法制备的8-12μm波段宽带减反射膜的实测光谱曲线,其峰值透过率高达99％以上,在设计波段范围内平均透过率大于98％,膜层附着性能好,光机性能稳定。这对于红外光学系统的应用具有十分重要的意义。     

硅基中长波红外减反微结构研究

采用微加工工艺在Si衬底上制备了微柱和微锥阵列,结合光学建模分析,研究了结构参数对中长波（2.5~9 m）红外光反射率的影响规律。使用严格耦合波分析方法（RCWA）计算的微结构反射光衍射效率与傅里叶红外变换光谱仪（FTIR）测试的反射率结果吻合较好。研究结果表明,Si基微结构对TM及TE偏振光均有良好的红外光减反特性,微锥结构具有更好的减反效果,2.5~6.5 m中红外偏振光的反射率低至2%,同时表现出良好的宽谱与广角度减反特性。     

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。     

Optical and electrical properties of porous silicon layer formed on the textured surface by electrochemical etching

Porous silicon (PS) layers were formed on textured crystalline silicon by electrochemical etching in HF-based electrolyte. Optical and electrical properties of the TMAH textured surfaces with PS formation are studied. Moreover, the influences of the initial structures and the anodizing time on the optical and electrical properties of the surfaces after PS formation are investigated. The results show that the TMAH textured surfaces with PS formation present a dramatic decrease of reflectance. The longer is the anodizing time, the lower is the reflectance. Moreover, an initial surface with bigger pyramids achieved lower reflectance in short wavelength range. A minimum reflectance of 3.86 % at 460 nm is achieved for a short anodizing time of 2 min. Furthermore, the reflectance spectrum of the sample, which was etched in 3 vol.% TMAH for 25 min and then anodized for 20 min, is extremely flat and lies between 3.67% and 6.15% in the wavelength range from 400 to 1040 nm. In addition, for a short anodizing time, a slight increase in the effective carrier lifetime is observed. Our results indicate that PS layers formed on a TMAH textured surface for a short anodization treatment can be used as both broadband antireflection coatings and passivation layers for the application in solar cells.     

Li4Ti5O12: A Visible‐to‐Infrared Broadband Electrochromic Material for Optical and Thermal Management

Broadband electrochromism from visible to infrared wavelengths is attractive for applications like smart windows, thermal camouflage, and temperature control. In this work, the broadband electrochromic properties of Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) and its suitability for infrared camouflage and thermoregulation are investigated. Upon Li⁺ intercalation, LTO changes from a wide bandgap semiconductor to a metal, causing LTO nanoparticles on metal to transition from a super‐broadband optical reflector to a solar absorber and thermal emitter. Large tunabilities of 0.74, 0.68, and 0.30 are observed for the solar reflectance, mid‐wave infrared (MWIR) emittance, and long‐wave infrared (LWIR) emittance, respectively, with a tunability of 0.43 observed for a wavelength of 10 µm. The values exceed, or are comparable to notable performances in the literature. A promising cycling stability is also observed. MWIR and LWIR thermography reveal that the emittance of LTO‐based electrodes can be electrochemically tuned to conceal them amidst their environment. Moreover, under different sky conditions, LTO shows promising solar heating and subambient radiative cooling capabilities depending on the degree of lithiation and device design. The demonstrated capabilities of LTO make electrochromic devices based on LTO highly promising for infrared‐camouflage applications in the defense sector, and for thermoregulation in space and terrestrial environments.     

355 nm增透膜的设计、制备与性能

用热舟蒸发法结合修正挡板技术制备了355 nm LaF3/MgF2增透膜,并对部分样品进行了真空退火.采用Lambda 900光谱仪测试了增透膜的低反光谱和透射光谱,并考察了其光谱稳定性;使用脉冲8 ns的355 nm激光测试了增透膜的激光损伤阈值(LIDT);采用Normarski显微镜对增透膜的表面缺陷密度和破斑形貌进行了观察.实验结果表明,制备得到的增透膜的剩余反射率较低,光谱稳定性好;真空退火对增透膜的激光损伤阈值没有改善;增透膜的破环形貌为散点形式,结合破斑深度测试表明薄膜的破坏源于薄膜和基底界面的缺陷点.JGSl熔石英基底由于有好的表面状况、固有的高激光损伤阈值和以其为基底的增透膜具有更低的表面场强,使得其上的增透膜有更高的抗激光损伤能力.     

Study of metal assisted anisotropic chemical etching of silicon for high aspect ratio in crystalline silicon solar cells

Textured surface is commonly used to enhance the efficiency of silicon solar cells by reducing the overall reflectance and improving the light scattering. In this study, a comparison between isotropic and anisotropic etching methods was investigated. The deep funnel shaped structures with high aspect ratio are proposed for better light trapping with low reflectance in crystalline silicon solar cells. The anisotropic metal assisted chemical etching (MACE) was used to form the funnel shaped structures with various aspect ratios. The funnel shaped structures showed an average reflectance of 14.75% while it was 15.77% for the pillar shaped structures. The average reflectance was further reduced to 9.49% using deep funnel shaped structures with an aspect ratio of 1:1.18. The deep funnel shaped structures with high aspect ratios can be employed for high performance of crystalline silicon solar cells.