表面微纳结构对光的透射性能影响分析

针对传统光学元件增透的方法中存在物理、化学性质的限制而导致热失配、稳定性不足等问题,提出了对光学表面直接加工圆球和圆锥形两种微纳结构的增透方式;构建了两种微结构模型并以0.38～0.9μm的入射光在不同入射角的条件下对二者进行数值仿真;分析了两种模型随波长与入射角变化的反射率、透射率和电场的变化情况,并对两种实验元件进行实验测试;结合两种微纳结构的仿真和实验数据结果进行对比,获得了两种微纳结构对光透射性能的影响情况。结果表明:入射光波长由小增大时,光学元件透射率增大,并随着波长继续增大透射率逐渐趋于稳定。可为表面微纳结构对光透射性能的影响研究,以及对微纳光学器件的优化设计、制造提供参考。     

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.     

高光谱吸收微纳结构表面提高太阳能温差发电性能的研究

采用飞秒激光等离子体丝（飞秒光丝）在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度（5,15,25,35和45 mm·s-1）制备了微纳结构表面,并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围（330～890 nm）内对其进行了反射率测量,发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性,并且飞秒光丝扫描速度越慢,光谱吸收率越强,5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达97%以上。将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片（TEG）光吸收体,以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块（即TEG模块：结合微纳结构表面的TEG）散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量。研究结果表明,具有微纳结构的铝表面（5 mm·s-1制备条件下）与抛光铝箔或裸发电片相比,光电转化效率（发电效率）可分别提高43.3和10.7倍。进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理,将TEG模块的温差发电过程分为光热（光能转化为热能）与热电（热能转化为电能）两个转化过程分析：首先在光热转化过程中,微纳结构表面增强了太阳光吸收效率,为光热转化提供更多的光子能量,实现了其在表面更多的热量沉积,进而在之后的热电转化过程中,更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升,这样在同样的温差（发电片冷热端的温度差值）条件下,微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率。因此,微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高,进而显著提升了TEG模块发电性能,这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因。这一机理的揭示,为TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据,对TEG模块的实际应用具有重要的意义。     

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     

微纳光纤直径精细控制技术

为实时监测高通量激光系统中洁净情况,提出了基于微纳光纤的微量污染物传感技术。为消除微纳光纤外形结构误差对测试结果影响,首先理论研究了微纳光纤拉制过程,得到了加热长度和拉伸长度误差和引入微纳光纤外形结构偏差的关系,接着通过理论仿真得到了不同拉制参数条件下,微纳光纤外形结构误差情况,并得到了拉制长度为10 mm、直径为1.5 μm的最优制备参数,最后通过实测微纳光纤外形结构验证了理论仿真结果。实验结果表明,通过优化微纳光纤拉制参数可实现其外形结构的精细控制,为微纳光纤用于微量污染物传感工程实用化奠定基础。     

电磁场递推算法及微纳光学元件中的应用

提出一种电磁场递推算法来分析微纳光学元件体内电磁场的传输.该方法基于Maxwell方程组和电磁场横向的边界条件给出了严格解.以高斯光束在亚波长矩形浮雕光栅体内的传输为例,分析了非匀幅光束在微纳光学元件体内的传输. 关键词： 递推算法 非匀幅光束 微纳光学元件     

薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性

用特征矩阵法研究了薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性。研究发现:随着入射角增大,s偏振光透射模和p偏振光透射模的波长逐渐分离,但分离的幅度较小;随着入射角增大,s偏振光透射模的透射率作幅度较大的震荡变化,而p偏振光透射模的透射率变化较小;当入射角以1°/100的间隔变化时,可以在透射模波长不变的情况下,使s偏振光透射模的透射率发生显著变化,而p偏振光透射模的透射率基本不变。薄膜法布里-珀罗滤光片的偏振特性可以在角度变化的测量中发挥重要作用。     

中红外仿生复合微纳结构减反射表面研究

利用原子层沉积技术共形生长的特点,同时利用自组装掩模刻蚀技术,在单晶硅基底上制备了具有低深宽比和满占空比特点的Al₂O₃-Si复合微纳结构表面。光谱反射率测试结果表明,在底端满占空比、微结构深宽比接近1:1的情况下,入射角在8°时复合微纳结构表面在3～5μm谱段的平均反射率小于3.5%。纳米压痕测试结果表明,Al₂O₃-Si复合微纳结构表面的弹性恢复率较单一硅基底结构增加10.14%,证明沉积氧化铝薄膜具有提升抗反射微纳结构力学性能的作用。     

三步法制备ZnO花状微结构疏水性薄膜

荷叶的疏水性主要来自荷叶表面的微纳复合结构. 利用三步法对荷叶表面的微结构进行仿生,制备了ZnO花状微结构疏水性薄膜. 首先用sol-gel法在普通玻璃衬底上生长SiO2薄膜,然后进行磁控溅射生长籽晶层,再在其上利用水热法制备出微米量级和微纳复合的2种不同的ZnO花状微结构的均匀薄膜,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力. 用扫描电镜观察了不同微结构ZnO薄膜的表面特征,用X射线衍射研究了ZnO的结晶情况,并且研究了不同微结构对疏水性质的影响. 实验结果表明:微纳复合结构可以提高薄膜疏水性,最佳三相接触角达到140°.     

基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计

本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法：将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.0–4.1和10.5–10.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.7–9.2和12.1–18 GHz.在12.4–15.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.     

基于C-T模型的光学元件加工表面的光学特性研究

基于C-T模型对光学元件加工表面微观形貌的双向反射分布函数(BRDF)进行了分析研究,针对光学元件精密切削表面建立了微观形貌仿真模型,利用Matlab软件仿真并分析了入射光参数和表面微观参数对BRDF的影响.结果表明,相同微观形貌参数下,BRDF函数峰值随入射角度和入射波长的增加而增大;当入射光参数相同时,微观形貌参数...     

高功率激光装置光传输管道污染规律及对光学表面损伤性能的影响

研究高功率激光装置光传输管道内部洁净度变化规律,分析其对内部重要光学元件光学性能的影响规律,提出污染控制措施。对光传输管道内部的气溶胶进行采样,并利用空气品质分析仪及扫描电镜对其进行分析,得到光传输管道内部洁净度变化规律和污染源;采用内部放置透射膜元件的方法,研究洁净度等级水平对透射膜的微观结构和透射率的影响,并利用"1-on-1"的测试方式进行透射膜元件的损伤阈值测试。研究结果表明:光传输管道内部的洁净度在激光辐照后迅速上升至万级水平,透射膜元件在此环境下其透过率严重下降,下降幅度为2.5%,且表面微观形貌发生变化。光学透射薄膜表面损伤阈值随表面污染水平呈现线性下降规律,最大下降幅度约为10%。污染监测和成分分析结果表明管道内部灰尘及杂散光或者鬼光束辐照金属产生的等离子体是管道内污染的主要源头,在此基础上提出了正压密封保持的技术手段确保内部光学表面洁净度水平,延长使用寿命。     

碧凤蝶鳞片的微纳结构及其光学特性

为了探究碧凤蝶鳞片的光学特性及其形成机理,通过填充酒精溶液与改变入射角度的方式开展了碧凤蝶鳞片的变色实验,对前后翅鳞片的微观结构形态进行了观测与分析。构建了结构色鳞片的仿生结构模型,并结合传输矩阵法模拟鳞片膜系结构的反射光谱特性。碧凤蝶翅膀边缘黄绿色与青色区域表面均由下层蜂窝状网格陷光结构的黑褐色基鳞与上层褶皱凹坑状膜系结构的彩色鳞片构成。彩色鳞片由表面微凹坑底部与侧壁的2种结构色混合而成,且受天然光子晶体膜系结构及其精细尺寸的影响,对有机溶液、光照条件等具有敏感性变色特征。碧凤蝶鳞片具有的独特光学特性可为自适应变色伪装、传感检测等仿生智能材料领域提供一定的参考。     

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式.实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降.当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1～2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1~2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

基于石英晶体天平和微纳光纤的有机污染物在线监测

为了监测高功率激光驱动器中有机污染物的挥发特性以及其在光学元件表面的沉积特性,研究了基于石英晶体微量天平和微纳光纤传感器的真空腔体内有机物在线监测技术.首先测试了不同分子态污染物浓度时石英晶体天平的响应性能,然后采用视角因子等分法对微纳光纤传感器和石英晶体天平进行对比实验,模拟有机污染物在光学表面沉积的特性.实验结果表明,石英晶体天平和微纳光纤测试有机物在光学表面沉积时响应一致,均可用于高功率激光驱动器有机污染物的在线监测;当污染物面密度大于0.5×10-5g/cm2时,微纳光纤传感器有较高精度和响应速度;有机污染物浓度越高,其更容易吸附沉积在光学元件表面.     

基于微纳光纤的气溶胶探测应用技术

为获得激光装置密闭空间内部气溶胶分布变化情况,提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法。首先通过理论计算微纳光纤表面吸附气溶胶后传输能量的变化情况,得到能量损耗与气溶胶折射率、尺度之间的关系。利用火焰熔融扫描拉锥法拉制微纳光纤,并放置在激光装置中实验验证。实验结果表明:利用直径为1.5μm的微纳光纤可以有效检测密闭空间内直径为1μm和2μm尺度的颗粒污染物,并可以通过微纳光纤的附加损耗评估颗粒污染物的数量及尺寸,得到附加损耗与空间环境洁净度之间的关系,且理论与实验结果符合较好。     

球面元件表面AlF3薄膜的光学特性和微观结构表征

在模拟球面元件曲率半径的仿面形夹具上镀制了AlF3单层薄膜,并对不同口径位置上的薄膜进行了比较,以表征球面元件表面镀制薄膜的光学特性和微观结构。首先,采用紫外可见光分光光度计测量了不同口径位置上薄膜样品的透射和反射光谱,反演得出AlF3的折射率和消光系数。然后,使用原子力显微镜观察了样品的表面形貌和表面粗糙度。最后,使用X射线衍射仪对薄膜的内部结构进行了表征。实验结果表明：在球面不同位置镀制的AlF3单层薄膜样品的光学损耗随着所在位置口径的增大而增大。口径为280 mm处的消光系数是中心位置处消光系数的1.8倍,表面粗糙度是中心位置的17.7倍。因此,球面元件需要考虑由蒸汽入射角不同带来的光学损耗的差异。     

微纳金属光学结构制备技术及应用

微纳光学结构制备技术一直是微纳光子学器件发展的技术瓶颈.针对微纳光学结构制备技术向小尺寸、高精度和广泛应用发展的趋势,报道了基于电子束、X射线和接近式光学的混合光刻制作微纳金属光学结构技术.针对微纳光子学器件复杂图形开发了微光刻数据处理体系,基于矢量扫描电子束光刻设备在自支撑薄膜上进行1×高分辨率图形形成,利用X射线光...