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。     

二元光栅抗反射特性的耦合波分析

基于严格耦合波分析理论和遗传算法,研究了亚波长矩形光栅(即二元光栅)的抗反射特性。针对光通信中的1.55μm波长设计了抗反射矩形光栅。探讨了光栅周期、占空比和光栅深度的变化对抗反射特性的影响。给出了光栅的抗反射特性所适用的入射角度及波长范围。当入射角度小于30°,在光纤传输系统中入射光波长为C波段和L波段时,反射效率小于0.4%,有效地减小了光纤传输系统的回波损耗。     

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     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率，低旁带反射，窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注，采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能，在弱调制模式下，其共振带宽可以被压缩到零点几纳米，但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射，使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高，根据等效介质理论，亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜，本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计，有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率，从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率,低旁带反射,窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注,采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能,在弱调制模式下,其共振带宽可以被压缩到零点几纳米,但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射,使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高,根据等效介质理论,亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜,本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计,有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率,从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波 关键词： 导模共振 平面波导 傅里叶模式理论 窄带滤波     

基于耦合波理论设计偏振分束光栅

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊性质。针对通信中常用的1.55μm光波,采用严格耦合波理论分析了亚波长光栅的偏振分光特性,设计了对应的偏振分束光栅。所设计的光栅在入射角为56°时,透射消光比和反射消光比都大于9000,且在1.27μm~1.67μm全光波段内,入射角在51°~57°之间时,透射消光比和反射消光比都大于100,达到了宽带宽、宽角度以及透射消光比和反射消光比都较高的要求。     

亚波长金属光栅结构的制备与矢量衍射理论分析

利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了周期为1μm、占空比为0.2的亚波长金属光栅,利用紫外-可见-近红外光谱仪测量了光栅的0级反射光谱。在严格耦合波分析的基础上,把光栅区域电磁场的空间谐波通过勒让德多项式展开,使用多项式展开的谱分析法求解常微分方程,计算了该亚波长金属光栅的反射光谱及磁场分布。实验测量结果同矢量衍射理论计算结果都显示,该光栅在近红外、中红外波段具有表面等离子体共振现象。数值计算结果还表明,对于此类亚波长金属光栅,当光栅的深宽比增加时,其反射光谱中会出现更多的反射谷。     

TM模场入射到金属光栅的表面增强喇曼散射计算分析

以纳米量级金属履带矩形光栅为模型,研究了表面增强喇曼散射的特性.针对TM模的入射光,采用严格的耦合波原理对金属表面的衍射场进行了分析,并用数值计算方法讨论了光栅深度、光栅占空比等参量对金属表面增强的影响以及增强因子随光栅深度的变化关系.结果显示：当入射光波长为700 nm、入射角度为10°、光栅周期p=600 nm、 光栅深度d=37.5 nm、占空比为1/3时,获得最大增强,增强因子G达104倍.     

锥形轮廓亚波长二维表面浮雕结构的矢量衍射特性

本文利用严格耦合波理论对多台阶逼近锥形轮廓的亚波长二维表面浮雕结构进行了计算分析.从本文的计算结果来看,采用多台阶来逐步逼近锥形轮廓的亚波长零级二维表面浮雕结构具有在宽波段、大视角上能够实现抗反射,并且对光波的偏振态下不敏感的特性.从而使得该结构为薄膜光学在材料的选择方面提供了极大的选择自由度.     

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%。     

Anti-reflective and hydrophobic surface of self-organized GaN nano-flowers

GaN nano flowers were grown on various commercial substrates by a simple catalyst free chemical vapor deposition (CVD) technique. The size and shape of the nanostructures were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The influence of the substrate, growth temperature, and ammonia flow rate on the size and shape of the nano-flowers were investigated along with their anti-reflective and hydrophobic properties. The normal incident reflectivity measurements carried out on the nano structures showed very low (5%) reflectivity. The wettability of the surface investigated by the static contact angle of water droplet revealed their hydrophobic nature with a large contact angle of about 145°. These results on catalysis-free nanostructures would be useful for anti-reflective surfaces/coatings in solar cell applications.     

基于亚波长光栅的VCSEL偏振控制研究

为了确定亚波长光栅在微电机械系统(MEMS)波长可调谐VCSEL不同位置(上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔)中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定,通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型,然后计算光栅在3种位置时上反射镜(包括空气隙和光栅)随光栅参数变化的反射率,以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围(即高反射范围内的参数)。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE低反射对应的反射率,通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振,而将光栅放置于内腔中,无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少10 cm~(-1);而在实现TM偏振稳定时,在TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少5 cm~(-1)。     

一维增透亚波长光栅的研究

将具有高透射性的亚波长光栅置于微机械波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)的内腔当中可以提高波长的调谐范围,为了使波长调谐范围达到最优则必须优化高透射性的亚波长光栅使其透射率达到最大。利用严格耦合波法分析了亚波长光栅的占空比、周期、厚度和入射角对其透射率的影响并找出最优的光栅参数。通过计算分析可得,对于TE和TM偏振存在最佳的占空比使其透射率达到99.5%。在文中条件下,它们对应的占空比分别为0.23和0.80。而光栅厚度对于TE和TM偏振透射率的影响是周期性的,在一个周期内存在一个最佳值使其透射率达到最高。在文中条件下,TE偏振的厚度周期是150 nm,TM偏振的厚度周期是300 nm。当光栅参数不变时,无论是TE还是TM偏振光,它们的透射率只有在垂直入射光栅时(入射角为0°)才能达到最大。而通过等效介质原理可以得出,周期对透射率没有影响。最后计算了透射率在光栅厚度和占空比同时变化时的变化趋势,并从中得出最优的光栅参数。     

一种条形亚波长径向偏振光栅

提出并设计了一种条形亚波长铝金属径向偏振光栅,用电子束直写方法制成,可以将偏振光偏振面的旋转直接转换为光斑的水平移动,通过定位光斑位移实现旋光角的测量.光栅由12000个单元水平排列组成,每个单元宽1μm,中心单元的格栅方向为0°,左右相邻单元的格栅分别按逆时针和顺时针方向依次旋转30″,最终实现±50°旋光角的测量范围.基于琼斯矩阵建立了光栅的理论模型,并运用严格耦合波理论分析了光栅的偏振特性与光栅脊厚、周期、占空比、入射光波长之间的关系,确定了光栅的最优结构.实验与仿真结果表明,光栅TM波的透过率大于80%、整体消光比大于26dB.这一测量模式不受光功率波动的影响,可以构成无机械旋转的新型旋光仪,或不需要旋转图像平移转换的电力光学传感器.     

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%。     

深度学习的亚波长窄带陷波滤光片设计

亚波长光栅结构表现出优异的陷波滤光特性,其经典设计是设定亚波长的几何结构参数,求解麦克斯韦方程组,设定优化算法求解出最优解,需要消耗大量的时间和计算资源。提出一种基于深度学习的逆向设计方法,搭建了可以同时实现正向模拟与逆向设计的串联神经网络。基于python语言的Tensorflow库进行网络搭建;优化均匀波导层的高度、亚波长光栅的高度、折射率、周期以及占空比;研究亚波长光栅在0.45～0.7 μm的陷波滤光特性。采用严格耦合波分析（RCWA）数值模拟生成23 100组数据集,在生成的数据集中随机选择18 480组数据作为训练集,4 620组作为测试集,并对不同的网络层数,网络节点以及Batch_size进行了研究。结果显示经过1 000次的迭代后,当网络的模型结构为5×50×200×500×200×26,Batch_size大小为128时,网络性能最佳。相比独立的网络模型,串联神经网络的正向模拟测试集损失率从0.033 63降到了0.004 5,逆向设计的测试集损失率从0.702 98降到了0.052 98,同时解决了由数据的非唯一性导致的网络逆向设计过程中无法收敛的问题。在完成训练的网络中输入任意的光谱曲线,网络平均在1.35 s内给出亚波长光栅的几何结构参数;并与RCWA数值模拟曲线进行相关性分析,曲线相似系数均大于0.658 1,属于强相关。另外,设计红、绿、蓝三种颜色的陷波滤光片,其峰值反射率分别可以达到98.91%,99.98%和99.88%,与传统方法相比,该方法可以快速、精确的求解出光栅的几何参数,为亚波长光栅设计提供了新方法。     

光栅光阀的光学特性分析和仿真

光栅光阀是一种基于微型机电系统（MEMS）工艺的光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分（可动光阀）,提供衍射光栅,被应用于投影显示等领域。光栅光阀的光学性能决定其在投影显示系统中应用的成败。依据多光束干涉理论和衍射理论对光栅光阀工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真。结果说明,光栅光阀在工作中处于“开”态时,可动光阀下降的距离应该是入射波长的1／4倍;设计时选择h=λ0／2,δ=Aλ0／4;当间隙处的反射率不同时,占空比对光栅光阀的光学特性有着不同的影响,给出了占空比与反射率的最佳组合值。     

Fresnel diffraction mirror for an atomic wave

We have experimentally demonstrated a material-independent mirror for atomic waves that uses the Fresnel diffraction at an array of parallel ridges. He* (2 (3)S(1)) and Ne* (1s(3)) atomic waves were reflected coherently on a silicon plate with a microfabricated grating structure, consisting of narrow wall-like ridges. We measured the reflectivity at grazing incidence as a function of the incident velocity and angle. Our data show that the reflectivity on this type of mirror depends only on the distance between the ridges, the wavelength, and the incident angle, but is insensitive to the material of the grating structure. The reflectivity is observed to increase by 2 orders of magnitude, compared to that of a flat polished silicon surface, where the reflection is caused by the attractive surface potential. For He* atoms, the measured reflectivity exceeds 10% for normal incident velocities below about 25 cm/s.