基于双光栅结构下特征参量与GaN基LED光提取效率的动态关系

为解决光子在半导体和空气界面处的全反射导致的GaN基发光二极管外量子效率低下的问题,基于双光栅GaN基发光二极管芯片模型的基本构成,利用蒙特卡罗算法及波动方程理论进行模拟,分析了光子的主要损耗对出光效率的影响.通过数值计算模拟,计算了不同光栅槽深、周期及吸收系数对发光二极管光提取效率的动态影响,结果表明:光提取效率曲线随反射光栅槽深的增大呈余弦周期性变化,与光栅衍射效率与槽深之间的关系是一致的;光提取效率在光栅间距为介质中光波长附近时达到最大,随着周期的增大或减小而减小;双光栅GaN基发光二极管受GaN吸收系数影响比传统GaN基发光二极管明显,吸收系数越小,光提取效率越高.透射光栅槽深为350nm,周期为300nm,反射光栅槽深为230nm,周期为250nm,GaN吸收系数为0时能获得最大光提取效率为67%.而传统平板型GaN基发光二极管,模拟得到的光提取效率只有18.5%,添加双光栅结构后的GaN基发光二极管,可以提高光提取效率3倍以上.结合提高晶体质量,降低GaN吸收系数能更有效提高光提取效率.     

利用截头圆锥形仿生蛾眼结构提高LED光提取效率

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiNx)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220nm、高度为245nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。     

正方形孔径纳米半球阵列提高LED光提取效率研究

为提高氮化镓(Ga N)基发光二极管(LED)的光提取效率,基于等效介质理论设计了底面100%占空比、半径为320 nm的正方形孔径纳米半球阵列。利用时域有限差分法(FDTD)对正方形孔径纳米半球阵列结构底面占空比、半径对光提取效率的影响进行了仿真计算研究。仿真结果表明:LED p-Ga N表面刻蚀半径为320 nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀完成正方形孔径纳米半球阵列的Ga N基LED制作及测试实验。结果表明:在20 m A和150 m A工作电流下,有微纳结构的LED较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高4.67倍和4.59倍,计算结果与实验结果比较一致,说明加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED光提取效率。     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

LED以其高效节能、体积小、寿命长等优点被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态光源,但LED芯片的光提取效率仍较低。综述了LED外延片表面的各种基于微纳光学结构的加工技术,如通过在LED芯片表面上加工粗糙微结构、LED芯片表面双层微结构、二维光子晶体结构、双光栅结构等。介绍了通过各种加工技术对LED芯片微纳光学结构的加工提高了芯片的外量子效率,从而提高了LED的出光效率。     

表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究

近年来,GaN基光子晶体发光二极管(light emitting diode,LED)的研究已经取得了一定的进展,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,在LED上制作光子晶体结构将会提高出光效率.本文为了提高AlGaInP系LED的光提取效率,分析了常规LED光提取效率受到限制的原因,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的器件结构设计,通过理论分析与实验验证,结果显示:光子晶体结构对于提高AlGaInP系LED的光提取效率同样起到了明显的效果,引入光子晶体后,LED的输出光强比常规结构LED平均 关键词： AlGaInP系LED 光子晶体 光提取效率 光强     

双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究

为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d ≈ λ / n_PhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm≤ T ≤ 300 nm且100 nm≤ D ≤ 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪

基于CCD的微型平场全息凹面光栅光谱仪,以其简单紧凑的结构和快速高效的工作方式在光谱分析领域获得了广泛的应用。但是,由于受限于色散距离,单纯依靠优化光栅像差很难进一步使光谱分辨率获得大幅提高。提出一种双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪的设计方法,用两个使用结构相同的光栅代替传统的单光栅设计,给出一个光谱范围为400～1000nm光谱仪的具体设计,计算显示光谱分辨率最大可提高为原来的2.5倍。通过对光栅衍射效率的计算分析,说明此方法能够显著改善仪器的通光效率。设计制作了原理样机,进行了装调测试,实验结果与理论计算相吻合。     

Narrow-spectral-span spectral beam combining with a nonparallel double-grating structure

We propose a nonparallel double-grating structure in a spectral-beam combining technique, where two gratings are placed nonparallel satisfying the Littrow mount in the focal region of the convergent lens. The most attractive advantage of this approach is that it will compress the spectral span into half of its original spectrum, which means the number of combined elements can be doubled in the gain range of diode lasers. Experimental results demonstrate that the CW output power of the combined beam is 30.9 W with a spectral span of 7.0 nm, compared with its original spectrum span of 13.6 nm, and the spectral beam combining efficiency is 70.5%. In consideration that a single grating could have a high efficiency of 97% in a bandwidth of over ten nanometers, the efficiency loss of the grating pair should be less than 6%, which is acceptable for most applications, so this method of using double gratings should be highly interesting for practical applications when a nearly doubled number of diode lasers could be combined into one single laser compared with the previous single-grating methods.     

Enhanced and tunable circular dichroism in the visible waveband by coupling of the waveguide mode and local surface plasmon resonances in double-layer asymmetric metal grating

Circular dichroism (CD) has shown very interesting possibilities as a means to characterize the chiral signal of a chiral structure. Here, we theoretically demonstrated enhanced and tunable CD in the visible light regime using a composite structure consisting of a double-layer metal grating gaped by a dielectric waveguide layer. Based on the coupling of the waveguide modes and the localized plasmonic resonances, the CD could reach a maximum value as high as 0.52 at 635 nm, which is four times higher than the CD value obtained in a conventional double-layer grating without the waveguide coupling effect. Furthermore, the spectral positions of the enhanced CD bands could be easily tuned by controlling the structural parameters. The proposed hybrid double-grating and waveguide structures could have potential applications in chiral selective imaging, sensing and spectroscopy, especially where the transmission measurement is required.     

A quasi double-grating grazing incidence pulsed dye laser

Continuous scanning of a 1 GHz pulsed laser line using only one 5-cm grating as an intracavity selective element is obtained from a pulsed dye laser pumped by a Nd: YAG (8 ns-532 nm) laser. Such a single-grating dye laser operates in the same way as a real double-grating grazing incidence laser and provides an appreciable improvement of the resolution (enhancement factor 2), compared with previous grazing incidence ones. The superiority of this laser cavity has been proved for single-longitudinal-mode operation.Laboratoire associé à l'Université de Paris-Sud     

Narrow-wavelength-spread spectral combining laser with a reflector for a double pass with a single grating

We proposed a novel wavelength-spread compression technique for spectral beam combining of a diode laser array. A reflector, which is parallel to the grating, is introduced to achieve a double pass with a single grating.This facilitated the reduction of the wavelength spread by half and doubled the number of combined elements in the gain range of the diode laser. We achieved a power of 26.1 W under continuous wave operation using a19 element single bar with a wavelength spread of 6.3 nm, which is nearly half of the original wavelength spread of 14.2 nm, demonstrating the double-compressed spectrum capability of this structure. The spectral beam combining efficiency was 63.7%. The grating efficiency and reflector reflectance were both over 95%; hence, the efficiency loss of the double-pass grating with a reflector is acceptable. In contrast to double-grating methods,the proposed method introduces a reflector that efficiently uses the single grating and shows significant potential for a more efficient spectral beam combining of diode laser arrays.     

余弦光栅硅薄膜太阳能电池光吸收分析

设计了一维双层余弦共形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法模拟计算了双层余弦共形光栅结构和对照组结构的吸收光谱;利用归一化光吸收密度的概念,定量分析了300~700nm和700~1 100nm两个波段的光吸收效率.结果表明双层共形光栅结构具有更好的全波段吸收效率,且在长波段余弦光栅比矩形光栅具有更好的光捕获和吸收作用.利用光吸收增强谱和电磁场强度分布图,分析了余弦光栅在长波段的吸收增强机理.通过计算短路电流密度,发现双层余弦共形光栅结构比平板结构太阳能电池的短路电流密度提高了79.5%,余弦光栅结构比矩形光栅结构的短路电流密度提高了8.5%.     

用于彩色屏显的双层耦合光栅设计

在彩色波导全息平视器的设计中,易出现色彩不均和结构复杂的问题。将折射率、厚度各异的膜层,分别嵌入双层波导中,对一种新型的双层耦合光栅结构进行了优化设计。基于严格耦合波理论(RCWA)的计算表明,该双层光栅可实现主视场内较均匀的彩色成像,且结构精简。相较于传统的体全息元件,该结构批量制造的可靠性更高。双层光栅的设计分别以470nm和632nm为中心波长,实现衍射能量的相互补偿。优化结构参数后,当入射角在[-11°,11°]内变化时,主视场内RGB三波长的衍射效率(DE)可大于85%,各波长间最大的效率差异可小于5%。     

Enhancement of extraction efficiency by metallic photonic crystal embedding in light-emitting diode

The bandgap effect of photonic crystals (PCs) and the effect of grating diffraction can be used to improve the extraction efficiency of light from the light-emitting diode (LED). The transmission of light at certain wavelength through periodic sub-wavelength hole arrays in metal films is extraordinary, surface plasmon (SP) effects effectively. In this letter, silver metallic photonic crystals with square lattice of cylinder unit cells are fabricated in GaN layer of GaN-based blue LED. We use the finite-difference time-domain (FDTD) method to investigate the optical transmission, the results show that the light extraction efficiency is enhanced by more than four times. Then we use the surface plasmon dispersion relation to analyze the mechanism of antireflection.