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.     

一种新型红外低目标特征材料

现代探测系统由单一工作模式到复合工作模式的转变,对低目标特征材料的光谱特性提出了某些特殊要求。在文章中,基于一维掺杂光子晶体,设计了一种新型红外低目标特征材料,并研究了其复合结构对反射光谱的影响。发现在一定条件下,可以在反射光谱中的一个宽的高反射率波段内形成局部的狭窄低反射率区,从而为新型红外功能材料的研制提供了参考。     

银镜反应制备纳米蛾眼减反结构法

为了降低光学表面的菲涅耳反射,提出了一种制备仿生减反结构的方法.利用银镜反应并结合退火处理在硬性材质基底表面制备银纳米粒子,经反应离子刻蚀工艺,在基底表面形成一层纳米蛾眼减反结构.分析了周期分布和随机分布纳米蛾眼的光学特性,实验研究了退火参量和刻蚀参量对银纳米颗粒直径、密度以及高度的影响,并在硅和石英基底上分别制备了随机减反结构.测试结果表明:硅基平均反射率小于4.5%,双面石英基透过率达98.1%.理论和实验均表明:随机分布的纳米仿生蛾眼结构具有宽光谱、广视角和高减反特性,所提出的制备方法具有简便易行、低成本、大幅面等优点,在光电器件中具有良好的潜在应用前景.     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

随机微扰表面反射光谱的低角度依赖性

结构色在光学伪装等领域具有重要的应用前景,但其存在严重的角度依赖性。提出利用随机微扰表面降低反射光谱角度依赖性的方法;研究了不同微扰特征的粗糙表面结构在不同入射角下的反射光谱;通过有限元法计算了横电波、横磁波的反射光谱特性和能量传播特性,并据此获得了等效自然光的反射光谱和角度依赖规律。分析发现在0°～40°入射角度范围内,平整表面结构的反射光谱峰值移动了34.0 nm,随机微扰表面结构的反射光谱峰值仅移动了10.0 nm,角度依赖特性降低了70.6%,结果表明微扰表面结构对于降低角度依赖性具有显著作用。     

宽光谱太阳能电池减反表面光谱特性研究

本文利用时域有限差分方法,计算了三种不同的渐变折射率的单晶硅太阳能电池减反表面的光谱特性,对三种表面的减反性能进行了对比。讨论了结构参数对结构表面减反特性的影响,研究发现,蛾眼结构的单晶硅太阳能电池在整个太阳辐射光谱范围内具有最低的反射率,随着微结构高度的增加和周期的减小,有效折射率的梯度降低,减反效果更加明显。     

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%。     

宽带减反射膜设计的一种新方法

提出实现宽带减反射膜系设计的新方法。该方法成功地设计出在可见光谱区的平均剩余反射率小于0.2％、减反射带宽390nm的四层等厚膜系;文中给出该法的理论推导、减反射限定条件及其应用的设计实例。结果表明,新的设计比传统三层减反射膜系设计具有明显的优越。     

缓冲层对导模共振滤光片反射光谱截止特性的影响

提出将均质多层膜系设计中的缓冲层概念71入到反射导模共振(GMR)滤光片的设计中,通过严格的耦合波理论精确计算,研究了加入缓冲层对改善导模共振滤光片反射峰边带截止深度及截止宽度的作用.双层导模共振滤光片结构中,入射光为TE偏振光时,设计增加97.5 nm缓冲层后,能够明显地展宽反射光谱范围.由原来的192.4 nm展宽到345.6 nm,并且在650～1250 nm波长范围内的边带截止度均比不含缓冲层结构的要深.入射光为TM偏振光,以类似TE结构的滤光片在布儒斯特角入射时,在700~1300 nm波长范围内,较不含缓冲层的结构,也能够获得更宽的截止带反射光谱和更深的截止度.在提出的膜系结构中,经过优化膜系、选择合适的光栅参数等,可以使反射光谱具有更好的截止特性,同时保证设计的共振峰位置不变.     

基于金属-介质-金属结构的反射式彩色滤光片特性研究

研究了金属-介质-金属结构在可见光波段的反射滤光特性。该结构由柔性透明基底、金属层、介质-金属纳米光栅结构组成。利用严格耦合波分析法(RCWA)模拟了TM偏振光入射时,亚波长介质-金属光栅的占宽比、周期和厚度等结构参数对反射光谱特性的影响。理论模拟结果表明:光栅的结构参数变化可改变反射波段,进而调节滤光颜色。在此基础上,进一步优化结构参数,得到了基于减色法的彩色滤光片结构,获得了青色、品红色和黄色三原色。该结构的主要优点是,当入射角在0～45范围内变化时,反射光谱谷值位置和反射带宽基本不变。本文所提出的结构特别适合用于反射式彩色显示。     

带虚设层的抗反射结构导模共振滤波器设计与分析

提出带虚设层的抗反射导模共振滤波器结构及设计方法,该方法适用于任意角度入射带虚设层的抗反射结构导模共振滤波器设计与分析.得到带虚设层的导模共振滤波器抗反射结构所满足的关系式.指出在维持虚设层光学厚度不变的情况下,可以通过不同选材,在低反射旁带中实现等带宽不同波长的选择.此外,由于结构的抗反射特性在低角范围内具有较大的角度容差,改变入射角,可以实现滤波波长及光谱带宽在宽光谱范围内的准线性可调谐.     

一维光子晶体光谱控制实验研究

光子晶体的禁带特性为伪装材料的光谱控制研究提供了一条新的技术途径。利用传输矩阵的方法建立了一维光子晶体光谱透射、反射的理论模型,针对伪装材料近红外高反射、中远红外低发射的要求,优选Ag,MgF2和ZnS等材料作为光子晶体的薄膜材料,采用真空蒸发镀膜的方法制备出Ag/MgF2,Ag/MgF2/ZnS 4种不同周期结构的一维光子晶体,并实验研究了一维光子晶体的光谱反射和透过特性。结果表明:材料和周期结构对一维光子晶体光谱特性有不同的影响,通过优化设计可以实现在伪装波段内的光谱特性要求。     

金微纳阵列表面等离激元中红外波段光谱特性

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。目前，金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外，在中红外波段内也显示出独特的光谱特性，具备设计生产优良传感器的潜力，因而同样备受瞩目。研究表明，在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。相比于单个微纳颗粒而言，阵列结构由于拥有良好的周期性，从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。基于此，提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构，利用时域有限差分方法，在4～18 μm波段范围内，通过分别改变该阵列的结构参数，包括颗粒半径、高度、间距及颗粒形状等，系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、透射光谱和吸收光谱等特性的影响。研究发现，在8～10 μm光谱内，入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应，表现出明显的共振峰特性。可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。     

纳米有机薄膜有效导电层的反射光谱法研究

为研究纳米厚度有机薄膜生长过程中有效导电层的判定方法,揭示反射光谱蕴含的薄膜生长机理,基于多相膜层等效结构和光学菲涅耳方程建立了材料光学系数和膜层厚度为参数的差分反射光谱数学模型,提出了依据相对拟合误差的拟合度评价方法.通过分析室温真空环境纳米厚度并五苯薄膜在Si/SiO_2基底上生长过程的差分反射光谱,发现采用四相膜层结构和并五苯薄膜晶体结构光学系数拟合的差分反射光谱与实验数据符合良好,确认并五苯分子主要以薄膜结构的形态进行生长,膜厚生长速率约为0.2 nm/min.该方法避免了反射光谱中多膜层结构产生的干涉信号对生长机理分析的影响.更为重要的是,相对拟合误差随生长时间的变化趋势与由薄膜构建的场效应管结构的电学特性呈现出明显的相关性,不仅反映了生长过程中薄膜成膜模式的演变趋势,还清晰地揭示了有效导电层的形成过程,为光谱法研究薄膜生长机理和无法进行电学测试的条件下监测薄膜电学特性提供了新手段.     

利用非规整膜系实现宽角度入射减偏振、减反射薄膜的研究

利用非均匀膜系理论对宽角度入射减偏振、减反射薄膜进行优化设计,分析了在宽角度入射的情况下,偏振光产生透过率不同的原因,选取了Na3AlF6、Ta2O5和Al2O3三种不同折射率材料,采用BK7作为基底,模拟设计了光谱区在500～560 nm波段、入射角为0~70°之间的多层减偏振、减反射薄膜,设计结果表明,薄膜的透过率得到大幅度提高.     

金属-电介质微盘阵列红外吸收器的光学特性分析

根据亚波长微结构的异常光谱特性,提出了一种"圆形铝盘-圆形SiO_2盘-铝衬底"的二维周期性微结构可调谐红外吸波器.利用有限元算法对其红外光谱反射性质进行了数值模拟,发现该结构对入射的TE或TM光偏振态、在0°~60°大入射角范围内具有良好的吸波效果,共振波长调谐范围4~11μm.用局域等离子体激元共振理论解释了红外吸波机理,证明了所提出的多层微盘结构具有更宽的调谐特性和更好的吸收效率.     

光谱分辨率对黑土有机质预测模型的影响

高光谱遥感以其高光谱分辨率适于反射光谱特征复杂的地物识别与参数反演,但对于反射光谱特征平滑的地物,高光谱数据可能存在数据冗余问题。本研究对实验室测定的黑土高光谱反射率进行重采样,基于统计分析方法研究了光谱分辨率对黑土有机质预测模型精度的影响,结果表明:黑土有机质含量高,土壤有机质的光谱作用范围宽(445～1 380nm);黑土有机质光谱预测模型精度随光谱分辨率降低,呈现先增后减的趋势,最优模型的光谱分辨率为50nm,低于高光谱遥感波段设置,略高于多光谱传感器波段设置;黑土有机质光谱预测最优模型以倒数对数微分为自变量,模型决定系数R2=0.799,RMSE=0.439,研究成果为土壤有机质遥感反演、光谱速测仪器的研制,以及传感器波段设置提供理论基础与技术支持。     

宽角度入射600～700 nm波段减反射薄膜的研究

阐述了利用非均匀膜系理论设计宽角度多层减反射薄膜的方法 ,从理论上分析了在宽角度的情况下 ,偏振光产生透过率不同的原因 ,选取了Ta2 O5和SiO2 两种材料作为折射率材料 ,选取BK7作为基底材料模拟设计了光谱区在 6 0 0～ 70 0nm波段、入射角为 0°～ 80°之间的宽角度多层减反射薄膜 ,探索出了一条新型膜系设计的途径 ,其优化结果是较为理想的。这一研究方法如能在太阳能、光纤通信、航天、激光等领域应用 ,将大大地提高光能的利用率 ,具有重要的应用价值。     

薄膜光学理论与膜系设计

O484.1 2004064347 宽角度入射600～700nm波段减反射薄膜的研究=Study of antireflection coatings of 600～700 nm at wide angle incidence[刊,中]/徐晓峰(中科院上海技物所.上海(200083)),张凤山…∥光学学报.—2004,24(9).—1173-1176 阐述了利用非均匀膜系理论设计宽角度多层减反射薄膜的方法,从理论上分析了在宽角度情况下,偏振光产生透过率不同的原因。选取了Ta_2O_5和SiO_2两种材料作为折射率材料,选取BK7作为基底材料模拟设计了光谱区在600～700nm波段、入射角为0°～80°之间的宽角度多层减反射薄膜,探索出了一条新型膜系设计的途径,其优化结果是较为理想的。图1参20(于晓光)     

动态应力场作用下线性啁啾光栅光谱特性研究

目前柔性结构损伤检测需多个传感器,且需要探测器具有极高的采集频率。光纤光栅具有动态响应快、易实现分布式测量等特点,为解决上述问题提供了有效的途径,提出采用线性啁啾光栅(LCFBG)实现动态应力场探测。首先,用传输矩阵理论建立了LCFBG反射光谱应变传感模型,用衰减正弦函数模拟沿LCFBG分布的动态应力场。通过仿真实验,详细研究了LCFBG反射光谱对不同振幅、不同衰减系数与不同传播速度动态应力场的响应特性。实验结果表明,LCFBG反射光谱的反射率、波长变化与光谱形状均与动态应力场上述参数有关,但是LCFBG反射光谱对动态应力场不同参数的响应规律不同。在一定范围内,LCFBG反射光谱的最大反射率随动态应力场幅值与速度的增大而增大,最终趋于一稳定值,但其随阻尼系数增大而减小。最后,研制了以LCFBG为敏感元件的传感器,并构建了动态应力场实验平台,实验结果与仿真实验数据基本一致。提供了一种通过实时采集LCFBG全光谱信息探测动态应力场的新方法。