薄膜微结构的近红外透射诱导增强特性

在SiNx薄膜中引入微金字塔结构,综合利用包含界面的薄膜光学微结构的折射、衍射与干涉现象,实现透反射的调控.通过单点金刚石切削与纳米压印、等离子体各向异性刻蚀技术相结合,将大面积、高效率、低成本的微结构制备方法推广至光学薄膜中,实现了多种尺寸的金字塔薄膜微结构的制备,结构单元尺寸可以在1.5～10μm之间进行调控.光谱特性检测结果表明,SiNx薄膜微金字塔结构阵列在近红外至长波红外波段,表现出超宽波段的减反射特性;在0.8～2.5μm的近红外波段,反射率低于1.0%;在3～5μm的中红外波段,反射率小于2.5%;在10～12μm长波红外波段,平均反射率低于5%;与传统的四分之一波长抗反射膜系相比,SiNx薄膜微金字塔结构阵列的减反射效果的实现,无需膜系设计时的折射率匹配,简化了膜系结构.研究发现SiNx薄膜微金字塔结构阵列的近红外透射诱导增强特性,高度为2～4μm的SiNx薄膜微金字塔结构阵列,均在2.1μm波长处出现明显的透射诱导增强效应,且高为4μm,底宽为8μm的微金字塔结构阵列的透射增强作用最为明显,透射率达到了96%以上.实验检测与仿真分析证明,透射增强的位置和强度由微结构的形貌尺寸及其结构比例关系决定.     

一维矩形刻槽相位栅的减反特性与结构优化

 为了得到一种结构简单、便于制作的可应用于可见光波段的减反射膜,利用等效介质理论研究了表面具有矩形刻槽周期分布形式的介质膜的减反射特性,比较了4种不同基底材料的减反特性,选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为基底分析了一维单层矩形光栅结构的减反射膜的占空比、蚀刻深度、入射波长和入射角度对减反射特性的影响;给出了可见光波段的减反射膜的结构设计参数。研究结果表明：当入射角小于30°时,可见光中的短波段（0.4 μm～0.55 μm）反射率低于2%;当入射角小于10°时,该减反射膜可以使0.4 μm～0.8 μm可见光的反射率低于2%。     

基于金属——介质薄膜的反射型彩色滤光片

基于诱导反射原理设计了一种可见光波段金属-介质薄膜结构的反射型彩色滤光片.高吸收铬和高反射铝的应用使它既能获得高反射率又有很高的宽波段截止度,通过改变介质匹配层的厚度实现适当的导纳匹配,得到了反射率大于72％、较高色饱和度的红绿蓝三色滤光片.实验制作了样品,测试结果与设计相吻合.基于半色调技术,采用光刻和剥离工艺制备了...     

在半导体-金属相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动

在可见光—近红外波段的不同波长下,测量了半导体-金属相变过程中氧化钒薄膜样品的反射率和透射率.在薄膜相变过程中,不同波段的反射率曲线和透射率曲线表现出不同的变化趋势.利用非相干光在薄膜中的多级反射-透射模型,计算了相变过程中不同波长下氧化钒薄膜的折射率n和消光系数k随温度的变化.结果表明,在相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动,其原因既有薄膜的折射率和消光系数随波长的变化趋势不同,也有在吸收性薄膜中存在探测光多次反射和透射的累加效应.     

渐变折射率减反膜的设计及其全向性能

相比于传统的多层减反膜,渐变折射率减反膜有更好的减反性能。通过沉积折射率介于基底与空气且均匀变化的介质材料可以制备渐变折射率减反膜。选择的制备方法不同,会导致渐变折射率减反膜的结构不同,其减反效果也有所差异。通过数值模拟仿真,研究不同结构的渐变折射率减反膜在不同入射角时的减反效果,可得出渐变折射率减反膜的最优结构。最优结构的渐变折射率减反膜当入射角为0°~45°时对可见光的反射率在0.6%以下,当入射角为75°时反射率低于15.5%。     

SiO2纳米微球表面结构在可见光波段的减反特性

研究了不同尺寸SiO2胶体微球形成纳米结构薄膜的光学传输特性和光子带隙。通过在玻璃基底上自组装透光的SiO2胶体微球形成胶体晶体薄膜, 依据布拉格定律,分析微球尺寸对胶体晶体光子带隙的影响。为实现可见光波段的全方位减反射,提出通过改变胶体粒径将胶体晶体带隙位置移动至紫外波段,理论计算得出当粒径为112 nm,占空比为0.45时能实现可见光波段0.5%的平均反射率。实验结果表明,玻璃基底在400~800 nm间的平均反射率从4.3%降低至0.7%,最小反射率达0.3%。通过控制微球粒径移动光子带隙位置,优化晶体结构参数实现了可见光波段的减反射,有效提高了光学组件对可见光的利用率。     

高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性及对叶绿素反演的影响

不同于传统被动光学传感器,高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光,和植被叶片表面相互作用后,不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况,对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱,对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析,随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。结果表明,(1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低,但二向反射率因子并不逐渐减小,在可见光和近红外波段,二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征,可见光波段反射率因子最大值出现在0°～10°,近红外波段最大值出现在60°,反射率因子最小值均出现在45°处,最大和最小反射率因子间可差0.1左右,可见光和近红外波段10°～60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势;(2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现,方向反射特性对反演精度有...     

一种亚波长偏振分波/合波器的研制

针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围、极大的分光角度、高消光比和低插入损耗。实验测得透射、反射消光比均大于20 dB,插入损耗小于0.5dB。通过自行搭建的微结构测试平台,测量了p、s光的透射率、反射率随入射角度变化的曲线,和严格耦合波理论模拟结果符合。深入分析了制作中的过刻蚀对性能产生的影响。     

薄膜波导光栅滤光片反射特性研究

根据将减反射薄膜结构引入波导光栅滤光片中可以较好地抑制反射旁通带的理论,设计了单层、三层薄膜结构的波导光栅滤光片,旨在运用尽可能少的膜层数,在宽光谱范围内得到窄的反射带和高反射峰.运用严格的耦合波理论,对所设计的薄膜波导光栅滤光片的各种可能光栅结构进行了精确计算,得到反射率分布良好的特性曲线,并对计算结果进行分析,同时,还得到一种操作上较易于实现、在宽光谱范围内具有良好反射特性的三层膜光栅结构.     

基于传输矩阵法的多层介质膜反射特性研究

薄膜干涉是大学物理波动光学教学的重要内容,也是薄膜光学的理论基础.薄膜干涉的一个重要应用是用于设计减反膜和高反膜.本文基于传输矩阵法,定量计算了多层介质膜的反射率.以BK7玻璃为例,无镀膜时在可见光范围内,其反射率约为4%.利用薄膜的相消干涉可以减少表面的反射率.镀一层减反膜时,对设计波长550 nm其反射率下降为1.3%,一旦偏离设计波长减反效果变差;镀两层减反膜时,在470 nm～670 nm范围内,减反效果明显改善,反射率均低于1.3%.利用薄膜的相长干涉可以增加表面的反射率.以熔石英为例,镀一层薄膜时,对设计波长1500 nm其反射率可由未镀膜时的3.3%提高到30%;镀七组薄膜时在1360 nm～1660 nm范围内其反射率均可达99%以上.通过这些定量计算,让学生更加深刻地理解所学理论知识在实际中的应用,培养工程意识,提高学习兴趣.     

光纤激光器光学膜设计与制备

针对激光在传输过程中的光能损失,本文根据光学薄膜理论,设计制备了减反射膜和抗激光的高反射膜,并对激光膜的镀膜材料、膜系设计、沉积工艺及离子辅助沉积等参数进行了深入研究.研究结果表明,制备的减反膜的反射率＜O.2%,激光以25°～65°入射时高反射膜的反射率＞99.7%.对50μm光纤和K9玻璃镀膜前后的输出功率测试显示...     

一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计

为了提高OLED出光效率,在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构,并结合等效介质理论和薄膜光学原理,设计光栅参数:刻蚀深度0.29 μm,周期大小0.165 μm,底边直径与周期的比值等于1,可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响,结果表明,出光效率最高可提高30%。     

一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具设计

为了由非机械扫描式F-P标准具的透过率得到来袭激光的入射角,设计了一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具。把薄膜光学原理应用于F-P标准具的设计之中,考虑了斜入射条件下,特别是大入射角下,增透膜和干涉腔反射层特性参数变化对其透过率的影响,针对1.06μm激光,经过仿真设计,确定了F-P标准具主要参数。反射板选用K9玻璃,反射层采用单层ZnS膜时,腔长(475±5)nm,膜厚(65±5)nm,膜层垂直反射率20.7%～24.0%,对应标准具的透过率与入射角之间线性关系为T=-52.23θ+87.92,透过率非线性误差±5%;采用Ag膜时,腔长(460±10)nm,膜厚(3.80±0.15)nm,膜层垂直反射率22.4%～24.8%,T=-52.28θ+82.05,透过率非线性误差±4%。但具体的实现形式和制作工艺有待进一步研究。     

金属光栅用于增强非晶硅薄膜太阳能电池光吸收率研究

提高太阳能电池光电转换效率的一个重要途径就是提高它的光子吸收能力。在传统非晶硅薄膜太阳能电池中加入了金属光栅,设计出一种新的复合电池结构。基于严格耦合波分析矢量衍射理论计算了该结构的吸收光谱和增强因子;讨论了光栅宽度、入射光角度和入射光偏振态对吸收的影响。结果显示,设计的太阳能电池结构能够显著提高光的吸收率,在TM偏振光入射条件下,该结构的吸收增强因子最高可达40%;在其他偏振态光线入射时,其吸收增强因子也可达到16%左右。     

Theoretical study of optical characteristics of multilayer coatings ZnO/CdS/CdTe using first-principles calculations

A new method for predicting optical characteristics of multilayer coatings based on calculated material properties is presented. This method combines the use of the full potential linear-augmented plane wave method (FP-LAPW) within the framework of the Density Functional Theory (DFT) and the optical matrix approach for modeling the multilayer assembly. The simulation process is applied to thin films of the II–VI semiconductors compounds. The optical constants of each thin film are determined by using the first principle calculations. Each layer is represented by the square Abeles matrix, including all necessary data in the calculation of the optical characteristics (as transmittance, reflectance and absorbance). The simulation of multilayer optical response includes the effect of thickness, light polarization and incident angle. The obtained results are helpful in the design of the multilayer systems with required properties.     

基于亚波长二维光栅的入射角不敏感颜色滤光片研究

提出了一种基于二维亚波长光栅的具有非偏振光入射下入射角不敏感特性的反射式颜色滤光片. 采用严格耦合波分析方法详细分析了光栅周期、光栅层厚度以及固定光栅占空比下光栅的结构尺寸对反射率峰值、反射带位置及带宽的影响. 结合入射角不敏感特性, 经过优化设计得到了光栅的最终结构参数, 获得了中心波长424 nm, 峰值反射率56%, 带宽45 nm的反射滤光片.模拟结果表明, 在非偏振光入射下, 此滤光片的反射光谱表现出显著的入射角不敏感特性. 当入射角高达60°时反射带的中心波长偏移6 nm 反射率下降6%带宽增加8 nm 其参数没有较大变化通过调整光栅的结构参数可在400–520 nm范围内调节滤光片的中心波长以获得不同颜色的入射角不敏感滤光片. 关键词： 反射式滤光片 二维亚波长光栅 入射角不敏感 严格耦合波分析     

基于RCWA的太阳能电池抗反射膜分析研究

利用严格耦合波分析法（RCWA）分别计算了五种不同形貌的亚波长浮雕结构的太阳能电池抗反射膜性能,分别从占空比、光栅高度和周期等结构参数以及入射光角度进行模拟。研究结果表明：周期为200rim,高度为400nm,占空比为1的金字塔型浮雕结构的抗反射效果令人满意,且平均反射率低于1％;光波的入射角对光栅的反射率影响较大,光波在光栅法线的角度控制在40°以下合适。通过对亚波长浮雕结构的反射特性模拟和分析,为太阳能电池抗反射膜设计与制作提供理论支持。     

光学元件残余偏振测量方法与装置

光学镜头的残余偏振是影响偏振遥感探测、偏振军事目标识别和精密光学测量仪器测量准确度的一个关键参数。针对大口径可见光波段光学镜头偏振度准确测量的问题,研制了一台光学镜头残余偏振度测量装置。该装置利用表面镀金属膜的大口径离轴抛物面反射镜作为准直光源,通过控制入射光的入射角、降低入射光源的残余偏振度等技术,在水平、垂直、45°、135°的方向获得了一致性很高的斯托克斯参量。为了验证该装置的性能,对可见光波段口径小于160 mm的光学镜头残余偏振进行了实际测量,测量结果表明,该测量装置的残余偏振度低于0.2%,可满足高精度光学镜头残余偏振的测量需要。     

基于ZF6基底的可见光宽谱带高性能增透膜

以ZF6为基底,采用电子束蒸发物理气相沉积方法设计并制备了一种增透波长为0.4～0.8μm的宽谱带可见光区增透膜。薄膜材料仅含有TiO2和SiO2两种材料,分别作为高低折射率材料。利用Edinburgh光谱仪对双面镀制该膜系样品的透过率进行测量,测试结果表明：薄膜平均透过率达98.15%,实际样品的光学特性与设计结果基本相符,具有宽带的增透特性,减少了表面剩余反射。机械强度与环境测试表明：制备的薄膜具有良好的稳定性和牢固度,可以应用于可靠性要求较高的光学系统中。     

入射光照对典型光刻胶纳米结构的光学散射测量影响分析

作为一种快速、低成本和非接触的测量手段,光学散射测量在半导体制造业中的纳米结构三维形貌表征方面获得了广泛关注与运用.光学散射测量是一种基于模型的测量方法,在纳米结构待测参数的逆向提取过程中,为降低参数之间的耦合性,通常需要将结构的光学常数作为固定的已知量,即假设结构的材料光学常数不受光学散射仪入射光照的影响.事实上,这一假设对于半导体制造业中的绝大多数材料是成立的,但某些感光材料的光学常数有可能随着入射光的照射时间增加而发生改变,而由此产生的误差会在一定程度上传递给待测形貌参数的逆向提取值.本文针对聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶薄膜培片和光栅结构分别开展了光学散射测量实验与仿真研究,结果表明该光刻胶材料的光学常数随着入射光照时间增加而变化,进而导致光栅结构形貌参数的提取结果较大地偏离于真实值,不容被忽视.这一研究发现将为更进一步提高光刻胶纳米结构三维形貌参数的测量精确度提供理论依据.