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.     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性EI北大核心CSCD

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的研究EI北大核心CSCD

飞秒激光诱导金属表面周期性自组织微纳米条纹结构,在调控热辐射源、摩擦、超亲水性、超疏水性和打标等方面具有广泛的应用前景.研究了800nm飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的形成规律和形成机理.采用Sipe干涉模型和有限时域差分法,仿真了第1个飞秒激光脉冲刻蚀后随机粗糙表面引起的激光电磁场能量表面分布和第20个脉冲后低空间频率条纹结构引起的激光电磁场能量表面分布.揭示了低空间频率条纹与高空间频率条纹的形成机理,考察了表面微观形貌的演化和条纹周期随着脉冲增多而递减的现象.     

飞秒激光作用下的硅表面微结构及发光特性

采用近红外飞秒激光辐照浸泡在硫酸溶液中的N型单晶硅片,激光波长800 nm,脉宽200 fs,重频1 kHz,平均功率为100 mW,而硫酸溶液的质量分数分别选择为0.1%和1%。辐照后硅表面呈直径为5~8 mm,高度15 mm的柱型结构。分析其荧光特性,并通过比较硅材料表面微结构与激光光源、扫描参数、硅片背景环境的关系,确定最佳辐照条件为激光扫描速度750 mm/s,扫描间距5 mm/s。最终在厚度0.5 mm、直径26 mm的硅片上获得10 mm×10 mm的方形扫描区域,荧光光谱显示激光扫描后的区域在700 nm附近有很强的荧光发射。分析结果表明飞秒激光扫描改变了样品的表面微结构尺寸,增大了吸收面积,扩展了荧光激发波长,有效提高了样品的吸收效率和荧光发光相对强度(超过扫描前发光相对强度的2倍),荧光发射谱的变化是由量子限制效应和表面态模型共同作用的结果。     

飞秒激光作用下的硅表面微结构及发光特性

 采用近红外飞秒激光辐照浸泡在硫酸溶液中的N型单晶硅片,激光波长800 nm,脉宽200 fs,重频1 kHz,平均功率为100 mW,而硫酸溶液的质量分数分别选择为0.1%和1%。辐照后硅表面呈直径为5~8 mm,高度15 mm的柱型结构。分析其荧光特性,并通过比较硅材料表面微结构与激光光源、扫描参数、硅片背景环境的关系,确定最佳辐照条件为激光扫描速度750 mm/s,扫描间距5 mm/s。最终在厚度0.5 mm、直径26 mm的硅片上获得10 mm×10 mm的方形扫描区域,荧光光谱显示激光扫描后的区域在700 nm附近有很强的荧光发射。分析结果表明飞秒激光扫描改变了样品的表面微结构尺寸,增大了吸收面积,扩展了荧光激发波长,有效提高了样品的吸收效率和荧光发光相对强度(超过扫描前发光相对强度的2倍),荧光发射谱的变化是由量子限制效应和表面态模型共同作用的结果。     

光纤受激布里渊散射的散射特性数值研究EI北大核心CSCD

基于受激布里渊散射Langevin噪声模型,通过近似的三波耦合方程组,采用了时域有限差分法,对光纤中受激布里渊散射过程进行数值模拟计算。对长度为10 km,折射率为1.5132的单模光纤,分析了50μs内光纤中的光场和声波场的时间和空间变化特性和散射光的功率变化特性。数值模拟中,在一定的抽运入射光作用下,把Stokes光作为起振光入射到光纤的另外一端,发现起振光的存在与否会影响到抽运光场、散射光场和声波场的时间空间振幅变化,并且得出存在Stokes光时散射光的功率随时间趋于饱和以及没有Stokes光时散射光功率随时间的近似线性变化。     

基于太阳能收集的宽频螺旋纳米天线设计EI北大核心CSCD

基于光的波动性,提出了一种用于太阳能收集的螺旋纳米天线结构,并利用时域有限差分法对其进行分析。该天线结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成,分析了天线的辐射效率和极化特性。新的螺旋纳米天线在400~1600nm的波长范围内(占太阳总能量的85%)可获得高达74.49%的总辐射效率,高于先前学者提出的偶极子天线结构。同时,对于不同方向入射的线极化平面波,螺旋天线馈电间隙处可获得同等量级的局域电场增强,表明该天线能够兼顾太阳光的任意极化特性。     

方形和三角形格点分布渐变空气孔微结构光纤的色散特性比较

运用时域有限差分法计算了方形和三角形格点分布的渐变微结构光纤的色散曲线,并对它们的色散特性进行了比较.结果表明:这两种渐变微结构光纤的色散对最内层空气孔的直径的依赖性都比较高;在孔间距为2.0 μm～3.0 μm范围内,不同参数条件下,方形格点分布的渐变微结构光纤的色散曲线比较相似,空气孔间距、最内层空气孔的直径和直径递增量对它影响较小,且能在比较宽的波长范围(1.2 μm～1.8 μm)内保持平坦;而三角形格点分布的渐变微结构光纤对空气孔间距、最内层空气孔的直径和直径递增量都比较敏感,不同参数条件下它的色散曲线变化较大.     

可重构等离子体角反射器天线的设计与仿真北大核心CSCD

本文设计了一款由低成本荧光管构成,工作频率为3GHz的新型可重构等离子体角反射器天线,并采用电流密度卷积时域有限差分(JEC-FDTD)算法对该新型天线的辐射特性进行了计算和分析.计算结果表明,等离子体角反射器天线能够在微秒量级内完成全向、单波束及双波束的天线波形切换,实现天线辐射特性的快速动态重构.此外,与金属天线相比,该天线还具有工作频带宽更宽,天线增益高,能更好的将辐射波束向指定方向发射等优点.因此具有广阔的应用前景.     

抗反射疏水红外窗口的制备研究

本研究利用纳秒激光两次双光束干涉无掩模烧蚀、快速制备硫化锌(ZnS)微纳结构抗反射疏水表面,使其红外透过率由原来的75%增加到92%,解决了表面淀积抗反射镀层膜层附着力、抗蚀性、热胀失配等问题.此方法加工过程快速简单,可实现大面积制作,且微纳结构使基底具有疏水性能,疏水角可达145fi.使其在光电子、太阳能、航空航天及红外制导等领域具有广泛的应用前景.     

光子晶体负折射材料中缺陷对成像质量的影响EI北大核心CSCD

利用硅介质柱在空气中周期性排列构成六角结构的光子晶体平板,并在晶体平板中引入不同构型的缺陷,通过改变缺陷介质柱的半径和缺陷中心位置探讨引入缺陷对成像质量产生的影响。时域有限差分法模拟结果表明:介质柱半径和位置的改变,能使光的透射率提高,增加像方的强度。由于缺陷的引入,缺陷之间的相互干扰会降低成像的分辨率。     

方形渐变空气孔微结构光纤的色散特性分析

提出了一种新型的方形分布渐变空气孔微结构光纤。借助时域有限差分法计算了孔间距取 2.0μm和2.5μm,最小孔直径分别取0.4μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm和1.0μm,从第一层到第五层直径线性递增量分别为0.1μm/层和0.2μm/层的五层渐变空气孔微结构光纤的基模色散曲线图,结果表明渐变空气孔微结构光纤在控制色散的能力上明显优于空气孔不变的微结构光纤,这种光纤的色散曲线在1400~2000 nm波长范围内保持平坦且具有更低的色散量;当渐变空气孔微结构光纤第三层孔的直径取与孔直径不变微结构光纤的孔直径相同,且第一层到第五层孔直径按每层0.2μm的斜率增长时,其色散曲线最低最平坦,色散值保持在30 ps/(km·nm)左右。     

仿生纳米硅结构减反射及陷光性能模拟研究EI北大核心CSCD

仿造蝉翼凸起状结构,建立了硅纳米锥模型,在此基础上研究其减反射及陷光性能与其底部直径、高度的关系,确定直径150nm、高度500nm为其最优结构参数,该参数的纳米锥结构在300~1200nm波段平均反射率为1%.将优化的纳米锥结构与平板结构以及相同参数的纳米柱结构进行了比较,从反射曲线、电场强度分布、能量吸收密度分布、电子生成速度分布多个角度证实了纳米锥结构优异的减反射及陷光性能,为硅基光伏器件减反射陷光微结构设计提供了参考.     

激光烧蚀硅基表面抗反射微结构的声信号监测

为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期,提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0～30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性,具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入,基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明：通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构,且微结构宽度不同,其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下,归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化,且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线,采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明：声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量,为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。     

光学元件表面微结构的局域场分布特性研究

在强激光系统中光学元件表面的微结构会引起局域场强增强,进而会影响元件抗激光损伤能力。采用时域有限差分方法对波长量级的表面微结构进行了电磁场分布的数值模拟,一方面为损伤模型的建立奠定了基础,另一方面也为光学元件的设计制作提供了理论指导。     

Al基反射膜的激光损伤阈值研究北大核心CSCD

为研究金属Al保护、单周期及双周期增强反射膜在5ns脉宽的532nm激光器下的激光损伤阈值(LIDT),采用Comsol软件进行仿真及分析,仿真过程引入SiO2和Ta2O5的拉伸强度(膜层断裂应力)作为阈值条件,得到三种膜系的损伤阈值分别为0.318J/cm^(2)、1.325J/cm^(2)和3.382J/cm^(2),通过搭建实验平台进行激光阈值测试,采用1-on-1模式,选取50%概率的激光损伤点作为损伤阈值,测得激光功率分别为0.288J/cm^(2)、1.232J/cm^(2)及3.152J/cm^(2),与仿真结果较为接近,说明采用拉伸强度分析的该类模型更符合实际损伤,为此类膜系在实际应用中阈值的预测提供了理论基础。     

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。     

Kevlar-29材料的飞秒激光制孔形貌及性能研究EI北大核心CSCD

为提升飞秒激光加工芳纶纤维复合材料制孔质量,优化制孔加工参数,进行了制孔试验。用共聚焦显微镜与超景深显微镜观察圆孔边沿形貌,并测量了热影响区大小。分析了激光功率、扫描速度和重复频率对圆孔的形貌、热影响区大小以及几何精度的影响,对比了激光制孔与机械制孔后材料的拉伸强度。研究发现,一定参数范围内,激光功率增加、重复频率降低或扫描速度减小使热影响区尺寸整体上逐渐变大。但激光功率不足导致的烧蚀不充分也会产生较大的热影响区与表面损伤。热影响区最优状态对应的激光参数为激光功率5 W,扫描速度1050 mm/s,重复频率200 kHz。对比传统机械加工,飞秒激光加工后材料的拉伸强度波动性更小。结果表明,芳纶纤维复合材料的飞秒激光制孔加工不是完全的“冷”加工,由于芳纶纤维导热性差,热量累积造成纤维及纤维周边基材的热损伤,仍会导致较小的热影响区产生。采用合适激光参数的飞秒激光对芳纶纤维复合材料进行制孔加工,能有效提升制孔质量,满足相关领域精度和强度的要求。     

超快激光对涂有量子点玻璃表面的微构造

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明,出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。