亚微米AZO光栅及其漫透射分布特性

探讨亚微米掺铝氧化锌(AZO)光栅的漫透射光谱特性。在AZO薄膜上涂布光刻胶,用325nm激光双光束干涉曝光得到掩模图案。将其置于质量分数为0.5%的稀盐酸溶液中湿法刻蚀,制备出周期(780～1280nm)和高度(60～300nm)能独立调控的AZO一维光栅。正入射双向透射分布函数(BTDF)测试结果表明,400～900nm波段内平均镜面透射率随光栅周期增大而降低,与紫外-可见分光光度计测得的结果吻合;同时,周期越大被衍射到30°～80°范围内的漫透射比重和漫透射峰值均越大,而峰位角越小。根据光栅方程对实验结果给出了合理的解释。     

湿法和溶脱法的亚微米ZnO:Al光栅制备

以激光干涉法得到的光刻胶图案为掩模,采用湿法刻蚀和溶脱-剥离法制备了具有良好减反射特性的亚微米掺铝氧化锌（ZnO:Al, AZO）光栅。表面形貌特征和反射光谱测试结果表明,湿法刻蚀较溶脱-剥离法得到的AZO光栅表面更为粗糙,两者均方根粗糙度分别为25.4,7.6 nm。在400～900 nm波段,两种方法制备的周期和高度相同的光栅,平均总反射率分别由AZO薄膜的12.5%下降到8.3%和10.2%。两者的平均镜面反射率分别为6.2%和6.6%,平均漫反射率分别为2.1%和3.6%。湿法刻蚀得到的表面较为粗糙AZO光栅的漫反射明显减弱,从而导致总的减反特性优于溶脱-剥离法得到的表面起伏相对较小的AZO光栅。     

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.     

一种可用于分析任意介电常数张量的各向异性波导导模的二维时域有限差分模型

为分析具有任意介电常数张量的各向异性波导的导模,本文通过把简化的二维时域有限差分(2-DFDTD)法扩展至任意各向异性介质,提出了一种以D、E和H场为基础的统一的简化2-DFDTD模型.利用该模型,研究了简化的复数2-DFDTD方法与实变数2-DFDTD方法之间的关系.文中还讨论了复变数方法和实变数方法的激励技术.     

一种可用于分析任意介电常数张量的各向异性波导导模的二维时域有限差分模型

为分析具有任意介电常数张量的各向异性波导的导模，本文通过把简化的二维时域有限差分（２－ＤＦＤＴＤ）法扩展至任意各向异性介质，提出了一种以Ｄ、Ｅ和Ｈ场为基础的统一的简化２－ＤＦＤＴＤ模型．利用该模型，研究了简化的复数２－ＤＦＤＴＤ方法与实变数２－ＤＦＤＴＤ方法之间的关系．文中还讨论了复变数方法和实变数方法的激励技术．     

亚波长金属波导的光传播和干涉特性研究

利用时域有限差分方法研究了亚波长金属波导TE波的传播特性和基于异常透射现象的干涉特性.对各种参量对驻波特性的影响及两列波导间的耦合特性进行了分析.研究发现,TE波在波导中传播时存在截止宽度,如果波导宽度小于截止宽度,TE波在波导中不能传播;如果波导宽度大于截止宽度,TE波的传播距离将随波导宽度变大而突然增加.当波导宽度达到或大于半波长时,TE波可以在波导中正常传播.金属波导的截止宽度与金属的吸收系数成正比.此外,由于光在亚波长金属波导透射时的异常透射现象,在亚波长金属波导中产生了TE波的干涉现象,能形成驻波.     

亚波长金属波导的光传播和干涉特性研究

利用时域有限差分方法研究了亚波长金属波导TE波的传播特性和基于异常透射现象的干涉特性.对各种参量对驻波特性的影响及两列波导间的耦合特性进行了分析.研究发现,TE波在波导中传播时存在截止宽度,如果波导宽度小于截止宽度,TE波在波导中不能传播;如果波导宽度大于截止宽度,TE波的传播距离将随波导宽度变大而突然增加.当波导宽度达到或大于半波长时,TE波可以在波导中正常传播.金属波导的截止宽度与金属的吸收系数成正比.此外,由于光在亚波长金属波导透射时的异常透射现象,在亚波长金属波导中产生了TE波的干涉现象,能形成驻波.     

点缺陷二维光子晶体波导的出射光集束

光子晶体器件在高密度集成光通信中有广泛的应用,为解决光子晶体波导出射光场的空间控制,采用时域有限差分法分析光子晶体波导结构的缺陷传播特性,提出基于点缺陷优化波导结构,通过在波导出射口两侧加上点缺陷,出射光方向性有显著提高,实现三点光源干涉系统的光集束。模拟结果表明缺陷态越靠近能带结构中央,共振腔的耦合效率越高;相反,缺陷态越靠近能带结构边缘位置,则共振腔耦合效率越低,因此,选取禁带区域四分之一处对应的点缺陷,可以有效实现波导出射的光集束。     

点缺陷二维光子晶体波导的出射光集束

光子晶体器件在高密度集成光通信中有广泛的应用,为解决光子晶体波导出射光场的空间控制,采用时域有限差分法分析光子晶体波导结构的缺陷传播特性,提出基于点缺陷优化波导结构,通过在波导出射口两侧加上点缺陷,出射光方向性有显著提高,实现三点光源干涉系统的光集束。模拟结果表明缺陷态越靠近能带结构中央,共振腔的耦合效率越高;相反,缺陷态越靠近能带结构边缘位置,则共振腔耦合效率越低,因此,选取禁带区域四分之一处对应的点缺陷,可以有效实现波导出射的光集束。     

碳纳米管组成二维光子晶体的有效介电常数FDTD数值模拟

把有序排列的碳纳米管看做二维光子晶体,引入平均场方法,先计算单根纳米碳管的有效介电常数,再用时域有限差分方法(FDTD)计算碳管阵列的有效介电常数,其结果与Maxwell-Garnett(MG)法结果相比,更接近实验数据.     

基于表面生成法的粗糙基底上半透明涂层的光散射特性

针对光在半透明涂层和粗糙基底构成的两层粗糙面的散射过程,采用表面生成法,考虑入射遮蔽以及多次散射效应,构建表面散射的蒙特卡罗模型,得到粗糙基底上半透明涂层的反射光的能量分布,研究涂层厚度、表面粗糙度、入射光波长等对双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)的影响.结果表明,BRDF受表面的粗糙程度影响较大,其峰值随表面均方根斜率的增加线性递减;半透明涂层厚度影响BRDF峰值的大小,厚度为十分之一波长时,BRDF达最小值;近红外光入射时镜反射方向附近BRDF的局部分布曲线相对于可见光入射时有展宽趋势,且方向半球反射率相对于可见光入射时更大.     

Dependence of resistivity on structure and composition of AZO films fabricated by ion beam co-sputtering deposition

The correlation between the resistivity and the structure/composition in the aluminum doped zinc oxide (AZO) films fabricated by the ion beam co-sputtering deposition at room temperature was investigated. The various compositions of AZO films were controlled by the sputtered area ratio of Al to Zn target. The structure, Al concentrations and resistivities of the as-deposited films were determined by X-ray diffractometer (XRD), energy dispersive spectrometer (EDS) and four-point probe station, respectively. The lowest resistivity of the deposited film was 5.66 × 10⁻⁴ Ω-cm at the 0.7 wt.% aluminum concentration. The most intense ZnO (0 0 2) diffraction peak, the largest grain size, the longest mean free path, and the highest free carrier concentration in the film result in the lowest resistivity of 5.66 × 10⁻⁴ Ω-cm at room temperature; simultaneously, the thermal stability of the resistivity of the AZO film as a function of the sample temperature was investigated. Below 200 °C the film's resistivity was almost kept at a fixed value and the lowest resistivity of 4.64 × 10⁻⁴ Ω-cm at 247 °C was observed.     

一维和双层二维光子晶体太阳能电池背反射器

利用a-Si∶H和SiO2等介质,设计了一种由一维光子晶体和双层二维光子晶体组成的非晶硅薄膜太阳能电池背反射器.利用时域有限差分法对该背反射器在入射光波长范围为300~1 100nm波段的反射率和透射率进行仿真,计算不同结构参量下非晶硅太阳能电池短路电流密度并进行比较分析,最终得到了最佳背反射器结构.结果表明:设计的太阳能电池背反射器能够有效地延长入射光在太阳能电池吸收层的传播路径,有助于缓解太阳能电池吸收层厚度对电池吸收效率的影响,提高了电池吸收层对入射光的吸收效率.一维光子晶体和双层二维光子晶体结构的背反射器可以大幅度提高电池的光捕获能力,将非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高到31.96mA/cm2,较常用的Ag/ZnO背反射器结构非晶硅薄膜太阳能电池提高了51.0%.     

双原子正方晶格光子晶体边界模式的光传输特性

利用平面波展开法,发现双原子正方晶格光子晶体中ΓM方向边界面存在着快慢两类边界模式,并且通过计算色散关系和电场分布研究了边界参量对这两类边界模式传输特性的影响.依据两种模式的色散关系,计算了群指数和群速度色散参量,结果表明边界参量的变化对第一类边界模式传输特性的影响较小,该模式的平均群指数始终维持在5.0左右;第二类边界模式与第一类模式明显不同,边界参量的变化能够有效地影响到这种模式的传输特性,该模式的最大平均群指数可达178左右.利用时域有限差分法记录了不同时刻电场强度在边界附近的分布及监测点处的电场幅度变化情况,结果表明,两类模式都能够被限制在边界附近并向前传播,时域有限差分法得到的群速度与平面波展开法的结果完全吻合.     

约束面投影成型室基底微观特征对透光性的影响

为了探明约束成型室基底微观孔隙特征对固化光源传播特性的影响规律,从而对光固化成型精度进行分析和预测,采用时域有限差分软件对成型室约束基底引入微孔特征条件下的透光性及在固化区光能量分布特性进行了数值模拟,并通过实验对模拟结果进行了验证.结果表明,约束基底引入微孔的形状、尺寸以及周期等微观几何特征影响基底的透光性及其透过基底在成型区的光强分布;相对于基底微孔形状,其尺寸和周期的影响更显著,减小微孔尺寸和周期有利于透光性以及光强在成型区分布的均匀性;微孔直径小于半波长、微孔边缘间距与微孔直径的比值小于1∶1时可以显著减小微孔的负面影响;微孔直径远大于半波长时,基底上的微孔将在成型零件表面形成不期望的附加特征,从而影响成型精度.研究结果可以为基底制备提供工艺改进的方向和理论依据.     

液晶环境下金纳米柱的表面等离子体特性研究

为了有效研究液晶环境对金属纳米结构表面等离子体的调制作用,基于时域有限差分方法,对液晶环境下金纳米柱结构进行了建模,上下边界采用完全吸收边界条件,四周为周期边界条件.数值模拟了液晶厚度、倾角、光栅距离以及周期结构等参数对金纳米柱的消光特性的调制作用.分析结果表明:随着液晶光轴角度增加,谐振波长出现红移现象,且调制范围为40nm;光栅距离越大,金纳米柱之间的相互作用越弱,谐振波长越小;增加周期长度,谐振波长红移,且随着周期长度增加,次峰作用越明显.利用液晶光学性质可调节金属纳米结构的表面等离子体特性,结果对液晶环境中表面等离子体结构在新的光子器件等方面的研究提供了理论依据.     

微粗糙基底上多层涂层光散射偏振建模与特性研究

为满足多层涂层目标的偏振探测需求,基于一阶矢量扰动理论,结合偏振传输矩阵,建立微粗糙基底上多层涂层的光散射偏振双向反射分布函数模型,研究多因素影响下两种典型涂层目标,单层减反射涂层和多层高反射涂层的光散射偏振特性,结果表明单层减反射涂层目标的偏振度受观测位置影响,峰值左侧的偏振度较之裸基底增大,右侧反之,探测不同观测角下的偏振度可区分无涂层和涂层目标。不同观测角和入射波长下,多层高反射涂层目标的偏振度与涂层层数和涂层光学厚度显著相关,层数增加,多层涂层在镜反射附近具有去偏作用。仿真结果符合测量数据,验证了多涂层目标散射偏振模型的正确性与合理性,为实现多涂层目标偏振探测和反射隐身技术提供理论依据。