二维微纳米结构表面反射特性的时域有限差分法模拟研究

亚波长微纳米结构表面具有优良的抗反射特性,本文以硅基太阳能电池响应光谱的300~1 200 nm为应用基础,利用时域有限差分法计算了表面面形、结构参量的占空比、高度和周期以及光波入射角等对二维微纳米结构表面反射特性的影响,并结合等效介质理论进行了进一步理论分析,结果表明:等截面光栅结构的反射率较大,结构参量影响也较小;锥形渐变截面光栅结构的抗反射性能较好,且反射率随着占空比、结构高度的增大而显著下降;同时,光波在光栅法线的±40°范围内入射时,反射率均较小.通过对亚波长微纳米光栅结构的反射特性的模拟和分析,为抗反射表面的设计和制作提供了基础.     

基于修正等效介质理论的微纳深沟槽结构反射率快速算法研究

利用等效介质理论和严格耦合波理论研究比较微纳米级高深宽比深沟槽结构的红外反射谱,提出一种对等效折射率加入色散修正项的深沟槽结构反射率快速算法. 通过超越色散方程分析和大量计算发现,加入的等效折射率色散修正项与波长的平方成反比,并且与深沟槽结构的材料、周期和占空比有关. 这种新的计算方法可以非常精确地获得高深宽比深沟槽结构的反射率,而且明显提高了运算速度,在复杂深沟槽结构基于模型的红外反射谱测量中具有重要的应用价值,可以应用于微电子和微机电系统制造过程中高深宽比微纳深沟槽结构刻蚀进度的在线实时监测. 关键词： 深沟槽结构 严格耦合波理论 等效介质理论 反射率     

折射率随膜层厚度而变化的非均匀干涉膜层

具有折射率梯度的光学玻璃表面上的非均匀透明膜,可用于干涉镀层的消色差。关于非均匀膜的问题,有许多理论性的文献都已基本上阐述过。当基底与膜层间的界面上第一层有非均匀的折射率时,双层透光膜层上具有低剩余反射的光谱区扩大,这样,实际上要使用非均匀膜。具有高折射率的材料要求透光以及折射率有大的差别,要降低两胶合零件界面的反射时,采用具有折率梯度的镀层。现在已研究出在真空中,用蒸发法改变折射率给定形状的镀层工艺。本文介绍具有非均匀膜的玻璃表面光谱反射的计算,非均匀膜的折射率按接近玻璃     

二维表面浮雕结构的矢量衍射分析

利用等效介质理论,通过严格的耦合波理论计算和分析了二维表面浮雕结构的反射效率与各种因素的关系,给出了不同情况下的变化曲线;同时计算出了该结构在正入射情况下的等效折射率系数。明确提出：不管是对称的还是非对称的二维表面浮雕结构,方位角和极化角的变化对其反射率的影响都不明显;从而得出二维表了雕结构可以实现消偏振、减反的特性。分析了该结构的带宽限制,给出了在给定结构下受限的带宽;同时对浮雕高度加工误差对反射率的影响作了分析,对实际工作有一定的指导意义。     

一种适用于任意折射率分布的等效折射率方法

提出了一种新的等效折射率方法,可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发,通过严格的数学推导,得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中,几乎无任何近似,因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度,而且不受波导截止条件的限制,并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例,给出新方法的一个具体等效实施过程,比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率,结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后,文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。     

等离子体浸没离子注入制备黑硅抗反射层及其光学特性研究

表面织构是一种有效降低表面反射率、提高硅基太阳能电池效率的方法. 采用等离子体浸没离子注入的方法制备了黑硅抗反射层.分别通过原子力显微镜和紫外-可见-近红外分光光度计对黑硅样品表面形貌和反射率进行分析, 结果发现黑硅样品表面布满了高度为0—550 nm的山峰状结构, 结构层中硅体积分数和折射率随抗反射层厚度增加而连续降低. 在300—1000 nm波段范围内,黑硅样品的加权平均反射率低至6.0%. 通过传递矩阵方法对黑硅样品反射谱进行模拟,得到的反射谱与实测反射谱非常符合.     

一种新型介质结构的超传输电磁特性研究

光入射到不同折射率材料的分界面时会很自然地产生反射现象. 在很多的工业应用中, 例如太阳能电池, 衬底的引入会在其表面产生反射损耗. 至今为止, 人们提出很多方法用来克服这一问题, 比较常见的有介质涂层、表面纹理、绝热折射率匹配和散射等离激元纳米粒子. 本文利用二维周期排布的亚波长级硅纳米圆柱阵列来降低衬底表面的反射. 结合辅助微分方程和时域有限差分法对该结构的散射特性进行系统研究, 结果发现, 纳米圆柱粒子能够产生类似于在金属表面发生的超传输现象, 这种现象的发生基于介质衬底耦合Mie共振机理, 该机理能在整个紫外到近红外光谱范围内将能量耦合到衬底中, 从而降低衬底表面的反射; 同时当散射结构被放置在具有高光学态密度的高折射率衬底附近时, 会产生较强的前向散射, 也能有效的减少后向散射即反射的发生. 基于降低衬底表面反射这一目的而言, 我们设计的结构可为实际太阳能电池及光学天线的设计提供参考.     

电化学制备薄黑硅抗反射膜

采用计算机控制电流密度按指数规律衰减对单晶硅进行电化学腐蚀,得到了折射率随薄膜厚度连续均匀变化的抗反射膜,即黑硅样品. 这种在制取上快速、经济和工艺非常简单的样品,不仅在较宽波段范围内反射率小于5%,且整个薄膜厚度不足1μm. 利用传输矩阵方法对黑硅样品的反射谱进行模拟,得到了理论与实验符合较好的结果. 关键词： 多孔硅 折射率 抗反射膜 黑硅     

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。     

半球形固体浸没透镜显微系统的透射光场研究

应用高数值孔径系统的矢量衍射理论研究了半球形固体浸没透镜(SIL)球面表面的反射对SIL系统透射场的影响.研究结果表明,半球形SIL球面表面的反射对SIL显微系统的透射光强产生很大的影响.然而,这种反射不改变半球形SIL显微系统的分辨率.SIL球面介质界面材料的折射率失配越大,透射光强减小越多.在SIL的球面表面涂上减反膜或者在物镜和SIL之间填充折射率较大（但比SIL的折射率小）的介质可以提高系统的透射光强.     

Colloidal subwavelength nanostructures for antireflection optical coatings

A two-dimensional (2D) subwavelength nanostructure for antireflection coating is fabricated upon a transparent substrate. Self-assembled 2D colloidal crystals are used as a nanoscale composite material with controlled thickness and low refractive index. The feature size of the structure is approximately 105 nm. The structure is used for antireflection coating, and the measured reflectivity of a glass substrate is reduced to 0.3%. Enhanced transmission through the substrate is also observed.     

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.     

Antireflection film in one-dimensional metallo-dielectric photonic crystals

We calculated the transmittance of a one-dimensional (1D) metallo-dielectric photonic crystal (MDPC) in the optical region including the absorption losses in metal layers. The structure consists of five Ag and four GaN layers stacked alternately. When we add an antireflection coating to each end of the stack, the transmittance of the MDPC is increased twice as much and the oscillations in the transmission spectrum are also smoothed out compared with the case without them. The transmittance for oblique incident angles is also increased by the addition of two antireflection layers at the ends of the 1D MDPC.     

Subwavelength structured surfaces with a broadband antireflection function analyzed by using a finite difference time domain method

Subwavelength structured surfaces with a broadband antireflection function are analyzed by using a finite difference time domain method. The 2D periodic pure conical and pyramidal structures and several composite structured surfaces composing of conical and pyramidal structures are presented and discussed. It is found that the antireflection function will decrease for the same size of structures when the structure arrangement is discontinuous and the results of the structures with an aspect ratio of 2.0 are obviously better than the 1.0. It is also found that some composite structured surfaces have powerful antireflection function in the spectral ranges of 400-1400 nm within the 800-1200 nm spectral ranges.     

二维限制MMI耦合器自镜像特性

采用扩展的导模传输分析法,对二维限制多模干涉(MMI)耦合器的自镜像效应进行分析,详细讨论了二维限制多模干涉耦合器的自镜像特性和在两个方向上各自都成完整像的要求,并用三维全矢量非旁轴近似光束传输法进一步验证了分析结果.结果表明,一维限制多模干涉耦合器的自镜像效应在一定条件下,可以拓展到二维限制多模干涉耦合器上.并且在强限制的波导结构中,二维自镜像效应可以看成二个相互垂直、独立的一维自镜像效应的叠加.     

Modified-DBR-based semi-omnidirectional multilayer anti-reflection coating for tandem solar cells

In this paper, multilayer antireflection coatings are designed by modifying the thickness of two and three paired layer distributed Bragg reflector （DBR） structure. Our proposed DBR-based structures show antireflection behaviors, in spite of the reflection treatment in traditional DBR structures. Firstly, the proposed structures are designed to be equivalent to the theoretical ideal triple-layer （TL） antireflection coating （ARC）. Therefore, the problem of finding a suitable material for the middle layer of triple structure is solved. Simulation results show the significant equivalency for the reflectance of proposed structures to the ideal TL ARC at the same wavelengths and incident angles. Also, the design of the structure is changed in order to present the constant reflectance coefficient over a wide range of wavelengths. This structure enhances the omni-directionality of the multilayer ARC.     

Crossover from 2D to 3D in a weakly interacting Fermi gas

We have studied the transition from two to three dimensions in a low temperature weakly interacting 6Li Fermi gas. Below a critical atom number N(2D) only the lowest transverse vibrational state of a highly anisotropic oblate trapping potential is occupied and the gas is two dimensional. Above N(2D) the Fermi gas enters the quasi-2D regime where shell structure associated with the filling of individual transverse oscillator states is apparent. This dimensional crossover is demonstrated through measurements of the cloud size and aspect ratio versus atom number.     

二自由度反射式光纤传感探头的结构设计

采用五光纤特殊排列方式,研制了全自动补偿光纤二自由度传感探测器.分析了二自由度的探测方法,给出了可能的结构排列方案.理论上,给出了探测响应函数,与实验结果进行了对比.可用于二自由度非接触测量场合。     

新颖配位聚合物[Eu(PCPOA)3(H2O)]n的二维相关光谱研究

利用水热法合成了一种新颖的二维层状结构的配位聚合物[Eu(PCPOA)3(H2O)]n(PCPOA-p-chlorophenoxyacetate,对氯苯氧乙酸).在结构测定的基础上,分别开展了磁微扰下的二维相关红外光谱和温度微扰下的二维相关荧光光谱等的研究.采用Material studio的CASTEP程序进行了量子化学的能带分析,探讨了其结构与性能的关系.配合物的中心离子Eu3 处于9配位的环境中,对氯苯氧乙酸的羧酸根离子分别以单齿桥氧,双齿螯合等方式与磁性Eu3 配位.二维相关红外光谱研究表明羧基振动对磁微扰有很强的响应.二维相关荧光光谱研究表明,配合物中Eu3-的5Do→F2跃迁对温度的影响最敏感.     

Broad multilayer antireflection coating by apodized and chirped photonic crystal

In this work, a new examination had been carried out to create a multilayer which acts as an antireflection coating. It has been shown that applying an apodization to a one dimensional photonic crystal can significantly enhance the total optical transmission in the structure. The transmission characteristics of the apodized grating are analyzed. So, in order to achieve a wideband of total transmission, the number of layers and the apodization profile should be optimized. Then, chirping was introduced to the apodized structure to improve the system transmission. The structure was investigated numerically according to its number of layers. Through accurate control of the design parameters, reflectance can achieve a value less than 0.05% across a large range of wavelengths. The enhancement of optical transmission in this structure is very important since the performance of a number of optical devices could be improved.