太赫兹波发射晶体的亚波长微棱锥增透结构的设计与实验研究

光学整流方法产生太赫兹(THz)辐射常用的非线性发射晶体在THz波段都具有较高的折射率, 使得很大一部分THz波由于晶体表面的菲涅尔反射而无法有效耦合输出. 本文报道了GaP晶体THz波发射器输出表面上亚波长微棱锥增透结构的设计和实验研究. 利用有效介质模型在理论上验证了亚波长光栅结构的增透效果, 并进一步设计了适用于不同频段的增透结构的参数. 实验中, 通过微机械加工手段在GaP晶体输出端面刻划了多种亚波长微棱锥结构, 验证了其增透效果及参数对增透频带的关系. 理论与实验的符合证明该设计思想也可用于其他THz波发射晶体. 关键词： THz波 光学整流 亚波长微棱锥增透结构 微加工     

一种亚波长偏振分波/合波器的研制

针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围、极大的分光角度、高消光比和低插入损耗。实验测得透射、反射消光比均大于20 dB,插入损耗小于0.5dB。通过自行搭建的微结构测试平台,测量了p、s光的透射率、反射率随入射角度变化的曲线,和严格耦合波理论模拟结果符合。深入分析了制作中的过刻蚀对性能产生的影响。     

亚波长抗反射光栅结构的设计及制备

针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题,设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析,结果表明其透射率在远红外波段20～24 μm平均透射率能够达到98%,中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备,测得平均透射率达77%,中心波段透射率达到77%,与仿真结果相近。经实验验证,所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好,且对实验加工精度要求较低,为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。     

亚波长结构对10.6 μm的抗反射表面的研制

运用等效媒质理论对亚波长结构的抗反射表面进行了分析,设计出了一种抗反射表面结构,并利用二元光学制作工艺技术,对这种表面进行了实验制备。测试结果表明,这种表面结构就像单层抗反射膜一样,具有很好的增透效果,表面结构的等效折射率相当于镀层材料折射率,而刻蚀深度则相当于镀层的四分之一波长的厚度。     

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。     

锗衬底表面圆柱形仿生蛾眼抗反射微结构的研制EI北大核心CSCD

采用严格耦合波分析方法研究了长波红外波段锗基底的圆柱形周期阵列仿生蛾眼抗反射微结构的衍射特性,并进行理论分析和模拟仿真验证。重点分析了周期、深度、占空比和整体面型轮廓等参数对微结构抗反射特性的影响,得出具有较好抗反射效果的结构组合参数。采用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在锗基底上制备该亚波长周期微结构。通过热场发射扫描电子显微镜对微结构表面形貌进行表征,并应用红外成像光谱仪在长波红外波段分别对双面抛光锗片、单面微结构和双面微结构进行测试对比,结果显示在8~12μm范围内双面微结构的反射率小于8%,基本达到设计要求。     

二氧化硅亚波长纳米微结构的增透特性

对亚波长纳米微结构-非紧密堆积多晶胶体晶体光学薄膜的增透特性进行了研究。采用浸渍-提拉法在玻璃表面组装了亚波长纳米微结构,并利用等效介质理论分析其光学性质,理论和实验符合。研究表明实验制备的纳米微结构具有优异的增透性质,通过控制组装条件可以控制膜层厚度实现高增透效率从可见光到近红外的有效调谐,且微结构在玻璃基底上的等效折射率接近1.22,透射率最大能提高约7%,达到99.8%的增透效果。     

二氧化硅亚波长纳米微结构的增透特性

对亚波长纳米微结构-非紧密堆积多晶胶体晶体光学薄膜的增透特性进行了研究。采用浸渍-提拉法在玻璃表面组装了亚波长纳米微结构,并利用等效介质理论分析其光学性质,理论和实验符合。研究表明实验制备的纳米微结构具有优异的增透性质,通过控制组装条件可以控制膜层厚度实现高增透效率从可见光到近红外的有效调谐,且微结构在玻璃基底上的等效折射率接近1.22,透射率最大能提高约7%,达到99.8%的增透效果。     

亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

ZnS衬底上GeC/GaP增透保护膜系的制备及红外光学性质

把GeC/GaP双层膜用作ZnS衬底的长波红外(8~11.5μm波段)增透保护膜系。采用射频磁控溅射法,以高纯Ar为工作气体、单晶GaP圆片为靶制备了GaP薄膜;用射频磁控反应溅射法在高纯Ar和CH4的混合气体中,以单晶Ge圆片为靶制备了GeC薄膜。分别用柯西(Cauchy)公式和乌尔巴赫(Urbach)公式表示折射率和吸收系数,对薄膜的红外透射率曲线进行最小二乘法拟合,得到了它们的厚度及折射率、吸收系数等光学常数。GaP膜的折射率与块体材料的相近,在波长10μm处约为2.9;GeC膜的折射率较小,在波长10μm处约为1.78。用所得到的薄膜折射率,通过计算机膜系自动设计软件在ZnS衬底上设计并制备出了GeC/GaP双层增透保护膜系,当GaP膜厚较大时,由于吸收增大膜系增透效果较差;当GaP膜厚较小时,膜系有较好的增透效果。     

Optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for polarizing beam splitter based on effective medium theory

A novel optimal design of sub-wavelength metal rectangular gratings for the polarizing beam splitter (PBS) is proposed. The method is based on effective medium theory and the method of designing single layer antireflection coating. The polarization performance of PBS is discussed by rigorous couple-wave analysis (RCWA) method at a wavelength of 1550~nm. The result shows that sub-wavelength metal rectangular grating is characterized by a high reflectivity, like metal films for TE polarization, and high transmissivity, like dielectric films for TM polarization. The optimal design accords well with the results simulated by RCWA method.     

硫化锌透镜中长波红外宽带增透膜的研制

硫化锌(ZnS)透镜由于其透光区域较宽,便于光学系统的装校而被经常应用于红外光学系统中,但是其作为基底,镀制中长波红外增透膜却具有相当大的难度,尤其是牢固度的问题。根据任务要求研制的增透膜是在3．5～3．9μm的中波红外波段及9～12μm的长波红外波段,平均透射率大于90％。由于长波红外区可选用的宽透射区材料较少,所以兼顾材料的选用、光谱特性及可靠性满足使用要求等几方面考虑,最终采用氟化钇(YF3)作为低折射率材料,经过多次实验,采用混蒸、离子辅助等工艺方法以及选取合适的基底温度,通过对其他工艺环节的不断改进,解决了在ZnS透镜上镀制宽带增透膜,由YF3膜层严重的应力作用而导致膜层龟裂的问题,最终研制成功符合使用要求,并且可靠性和光谱特性皆优的中长波红外增透膜。     

Theoretical investigation of hierarchical sub-wavelength photonic structures fabricated using high-order waveguide-mode interference lithograph

This paper presents the theoretical investigation of hierarchical sub-wavelength photonic structures with various periods and numbers of layers, which were fabricated using a high-order waveguide-mode interference field. A 442-nm laser was used to excite high-order waveguide modes in an asymmetric metal-cladding dielectric waveguide structure. The dispersion curve of the waveguide modes was theoretically analyzed, and the distribution of the interference field of high-order waveguide modes was numerically simulated using the finite-element method. The various dependences of the characteristics of hierarchical sub-wavelength photonic structures on the thickness and refractive index of the photoresist and the waveguide mode were investigated in detail. These hierarchical sub-wavelength photonic structures have various periods and numbers of layers and can be fabricated by a simple and low-cost method.     

亚波长金属线栅的设计、制备及偏振成像实验研究

针对红外偏振成像系统,运用等效介质理论,在氟化钙基底上设计了周期为200 nm,深度为100 nm的金属铝栅.模拟计算结果表明,设计的金属铝栅在中红外(3—5 μm)和远红外(8—12 μm)双波段范围内,以及±20°的视场范围内能够提供大于35dB的消光比.利用电子束曝光、反应离子束刻蚀、等离子去胶等工艺完成了金属铝栅的制作.将金属铝栅放在中波红外热像仪前,得到了目标轮廓清晰的偏振图像. 关键词： 亚波长衍射光栅 偏振成像 等效介质理论     

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。     

Design and fabrication of multi-layers infrared antireflection coating consisting of ZnS and Ge on ZnS substrate

We have designed, fabricated and characterized a multi-layers antireflection coating on multispectral ZnS substrate, suitable for the infrared range of 8–12 μm. The 4-layers coating (Ge/ZnS/Ge/ZnS) with optimized thicknesses was fabricated by PVD technique and studied by FTIR, nanoindentation and AFM. From FTIR spectroscopy it was found that, in the wavelength range of 8–12 μm, the average transmittance of the double-side coated sample increases by about 26% and its maximum reaches about 98%. To improve the mechanical hardness, a bilayer of Y₂O₃/carbon was deposited on the coating. Nanoindentation test shows that the coating enhances the mechanical properties. The final coating have successfully passed durability and environmental tests.     

Ga掺杂ZnS的电子结构和光学性质

本文基于第一性原理平面波赝势（PWP）和广义梯度近似（GGA）方法,对ZnS闪锌矿结构掺入杂质Ga体系进行结构优化处理. 计算了该体系下ZnS材料的电子结构和光学性质. 详细分析了其平衡晶格常数、能带结构、电子态密度分布和光学性质．结果表明：由于杂质Ga的引入,ZnS体系体积略有膨胀,并在在费米面附近出现了深施主能级,单纯的通过Ga掺杂来实现低阻ｎ型ZnS材料较为困难;由于杂质能级的引入,整个介电峰向低能方向偏移,电子在可见光区的跃迁显著增强．     

Ga掺杂ZnS的电子结构和光学性质简

本文基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对ZnS闪锌矿结构掺入杂质Ga体系进行结构优化处理.计算了该体系下ZnS材料的电子结构和光学性质.详细分析了其平衡晶格常数、能带结构、电子态密度分布和光学性质.结果表明:由于杂质Ga的引入,ZnS体系体积略有膨胀,并在费米面附近出现了深施主能级,单纯的通过Ga掺杂来实现低阻n型ZnS材料较为困难;由于杂质能级的引入,整个介电峰向低能方向偏移,电子在可见光区的跃迁显著增强.     

Y、Zr、Nb掺杂ZnS半导体第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Y,Zr,Nb在Zn位掺杂ZnS半导体的能带结构和态密度.研究结果表明:Y,Zr,Nb掺杂体系的价带顶与导带底都在布里渊区的G点,为直接带隙半导体材料,掺杂对带隙宽度影响不大,掺杂结构的导带向低能区移动;Y,Zr,Nb在Zn位掺杂的Zn S的费米能级从价带顶移至导带底,说明掺杂后ZnS半导体材料从p型转变为n型,同时费米能级处出现数条杂质能级;Y,Zr,Nb掺杂体系的总态密度的贡献主要来源于Zn 4s、Y,Zr,Nb的4d 5s以及S 3p相互作用.