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。     

透明衬底光致导电网栅的设计与制作

依据半导体光电导效应分析了光致导电复合网栅调控机理,阐明了光致导电复合网栅的设计思路与结构特点.结合透明衬底蓝宝石基片,选取雷达波2~18GHz,红外3~12μm波段为研究对象对复合网栅结构参数进行优化和仿真,当网栅参数周期由5mm变为2.5mm、边长由4.9mm变为2.4mm时,网栅的中心谐振频率从13.2GHz变为14GHz.采用衍射光栅同轴对准原理保证两次lift-off光刻工艺的对准精度,制备的网栅周期误差小于6μm,边长误差小于5μm,满足实验要求.复合网栅的光学和电学性能测试结果为:加载复合网栅的蓝宝石衬底样件与未加载的相比,红外透过率曲线整体走势未发生变化,透过率整体下降了7.8%左右,与单独金属网栅相比相差3.4%,符合红外透过损失规律.该复合网栅在敏感波长为600nm光照射下测得的中心谐振频率从13.22GHz变为14.03GHz,与仿真结果基本一致,验证了光照对复合网栅电磁性能调控的可行性.     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.     

光控主动频率选择表面制作及光电性能研究

为简化主动频率选择表面(FSS)器件结构,提高其谐振频率的操控性能,提出一种利用光电导薄膜的光照导电特性控制FSS结构尺寸变化的光控主动FSS。从理论角度阐述了FSS结构尺寸与中心谐振频率的关系。以十字带通型光控主动FSS为例,采用CST软件仿真得到光照前后的中心谐振频率,频率由23GHz变为28GHz。采用镀膜、电子束蒸发及光刻等工艺制作出光控主动FSS样件,分析了光电导薄膜中掺杂成分、退火温度、退火时间及光照频率、光照功率等因素对其光电性能的影响。结果显示:调节CdS、CdSe的分子数比(1∶1~5∶1)可改变敏感波长;调节CdCl_2、InCl_3、CuCl_2的比例可改变亮暗方块电阻比,实验中分子数比为(3.6∶2.6∶1.3)时效果最佳;退火温度为750℃、退火时间为30s时光电导薄膜光电特性与欧姆接触达到峰值。测试结果表明:在功率为200mW/cm~2与波长为0.6μm的光照条件下,光控主动FSS的中心谐振频率从光照前的23.8GHz变为28GHz,与仿真结果一致。     

电子束蒸发沉积CdS掺Cl~-薄膜及其性能研究

以CdS、CdCl2混合物为薄膜材料运用电子束蒸发法,制备了不同比例的CdS掺Cl-薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、四探针测试仪和紫外可见光光谱仪,对所制备薄膜的结构、光学及光电导性能进行了测试。结果表明:采用此方法制备的CdS薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有垂直于基底c轴的(002)晶面优势取向。Cl-掺杂摩尔分数为0.1%时可提高薄膜的结晶性且掺杂浓度变化对光能隙的影响很小,仅变化0.07eV;其中亮方块电阻最小值为100Ω/□,光敏性达到了2.9×105。说明经过Cl-的掺杂处理可以明显改善CdS薄膜结晶质量和光学及光电导性能。     

利用纳米球提高红外波长上转换探测器效率

在红外波长上转换探测器氮化硅(SiN_x)钝化层制作单层六角密排的二氧化硅(SiO_2)纳米球阵列,以提高红外波长上转换探测器的整体效率.采用自组装的方法在器件钝化层上制备了直径分别约为300,450,750和1000 nm的SiO_2纳米球,并与无表面微纳结构器件进行对比测试.结果表明:钝化层附着SiO_2纳米球能有效地提高红外波长上转换器的光提取效率;当SiO_2纳米球直径为750 nm时的光提取效率最优,是无表面微纳结构器件的2.6倍,可实现低成本制作高效率红外波长上转换探测器.     

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。     

新型小尺寸窄带偏振分光器在光纤通信中的应用

在光纤通信中,为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用,设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器,用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系,一层是窄带滤光膜,另一层是偏振分光膜。采用TFCalc软件仿真,设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm,偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系,实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。结果显示,窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm,增益平坦度小于-0.05 dB,相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽,可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%,相比仿真值略低,但仍优于设计要求,相比传统分光器的光信号强度保留效果更好,具有更高的信噪比。综上所述,该分光器具有更好的应用价值和实用意义。     

红外遥感器网状微结构制作工艺

为了满足航天红外遥感器光学元件透过率高、散热性好的要求,提出一种具有波长选择特性的网状微结构。采用等效介质理论、数学建模理论方法设计网状微结构特征参数,并通过Matlab软件辅助模拟微结构表面光谱辐射特性。运用离子刻蚀机制备网状微结构,通过扫描电子显微镜测量微结构表面形貌,并进行分析。根据结果判断反应气体流量、射频电源功率、反应腔内压强三个工艺参数对微结构形貌及微结构侧壁陡直度具有很大影响,以及确定最佳工艺参数组合。实验结果表明:在最佳工艺参数组合下制备的网状微结构,10.6μm工作波长下透射衍射效率大于91.5%,基本满足红外遥感器对网状微结构光学特性的要求。     

光电可调控频率选择表面

为实现频率选择表面(FSS)谐振频率的光电可调控特性,提出一种光电可调控频率选择表面.利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化,实现FSS的主动可调.理论阐述了光电导及FSS选频特性原理,采用CST软件分别仿真了"Y"形带通型、"圆"形带通型和"Y"形带阻型三种FSS在光照时的频选特性.结果表明:随着结构尺寸变化,FSS的中心谐振频率分别从18 GHz、25 GHz、20.5GHz变为20.5GHz、29GHz、16.5GHz.采用镀膜、刻蚀及电子束蒸发等技术分别制作了单元结构尺寸变化前的金属FSS,以及变化后的金属与光电导薄膜结合的FSS,并对样件进行测试,结果表明:中心谐振频率分别从18GHz、24GHz、20GHz变为20GHz、28GHz、17GHz,与仿真变化趋势基本一致.采用该方法既可实现FSS中心谐振频率的可调控,也可从结构上实现FSS带通型和带阻型的转变.