毕业答辩-一维亚波长介质光栅结构抗反射特性研究.ppt

一维亚波长介质光栅结构抗反射特性研究,答辩人：专业：应用物理学学号：指导老师：,合肥工业大学电子科学与应用物理学院SchoolofElectronicScience&AppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,框架,研究背景研究意义本文主要研究内容理论基础薄膜矩阵理论、等效介质理论一维矩形介质光栅反射率的数值计算结果及分析一维三角形介质光栅的反射率数值计算结果及分析小结致谢,研究背景,在光学技术的发展过程中，特别是在光电器件的研制中，如何提高光能的吸收效率同时最大程度地减小表面反射一直是一个重要的研究课题；亚波长结构具有人工折射率的特性，可以通过改变结构参数来控制这种结构的等效折射率，从而实现抗反射的目的。,研究意义,亚波长结构可以实现抗反射；亚波长结构可以通过调整结构参数，获得理想的抗反射特性，比传统的镀膜更简单；亚波长结构比传统度膜有更好的抗损伤能力；随着纳米压印技术的发展，与传统镀膜相比，亚波长结构光栅的制作成本更低、工艺更简单，并且可以实现大批量生产。,本文研究内容,在本文所选用的结构参数下，利用等效介质理论和有限元法分析一维亚波长介质矩形光栅和一维亚波长介质三角形光栅结构的反射特性。在本文所选用的结构参数下，初步分析可利用等效介质理论计算反射率的适用范围。,理论基础,薄膜矩阵理论,薄膜矩阵理论是研究薄膜光学特性时常用的理论，它利用Maxwell方程和电磁场边界条件，通过矩阵形式，将薄膜两个界面的场联系起来。对于右图所示的单层膜体系，对于TE波入射，有如下矩阵关系式,为薄膜特性矩阵,薄膜矩阵理论,对多层膜系统，总特性矩阵为各层膜的特性矩阵相乘,下面将利用薄膜矩阵公式计算薄膜系统的反射系数，假设薄膜系统总的特性矩阵如下,通过计算可以得到这个薄膜系统的反射系数,薄膜矩阵理论,对于TM波情况，只需作如下修改,入射光能量的反射比为：,等效介质理论,对于亚波长结构的光栅，当周期足够小时，只有零级衍射级次，这种光栅结构与光学薄膜的性质类似，可以将这种亚波长结构等效为特殊的光学薄膜处理。Rytov用严格的电磁波理论得到了等效折射率的高阶近似解析解，运用这种等效介质理论，可以通过解析方法求解亚波长结构的反射透射特性，比数值计算更加方便快捷。,一维矩形光栅,等效介质理论,由光栅方程：可得零级光栅条件：,对于垂直入射情况，零级光栅条件为：,由此，我们可以得到能应用等效介质理论的波长范围。,等效介质理论,Rytov利用Maxwell方程和电磁场边界条件计算出了一维亚波长矩形光栅的等效折射率：,TE：,TM：,一维矩形介质光栅反射率的数值计算结果及分析,衬底及光栅区域折射率：入射区域折射率：光栅周期：占空比、光栅高度为变量,等效介质理论计算结果,利用二级等效折射率公式计算波长在350nm-1200nm内的反射率，结果如图,TE,等效介质理论计算结果,TM,有限元计算结果,参数设计和等效介质计算时一样，研究的波长范围为300nm-1200nm.,等效介质理论适用性研究(TE),定义误差函数：,波正入射情况下的误差函数光栅周期：100nm占空比：0.5,等效介质理论适用性研究(TE),计算结果：随波长增大，误差减小；波长在622nm1200nm内，误差函数值小于0.01。分析：等效折射率为的泰勒展开的二阶近似，故波长越大，误差越小。对于本文内容时，可以应用二阶等效折射率计算一维矩形光栅的反射系数。,等效介质理论适用性研究(TM),波正入射情况的误差函数光栅周期：100nm占空比：0.5,等效介质理论适用性研究(TM),计算结果：随波长增大，误差减小；大部分光谱区域，误差大于10%，对于光栅深度大于150nm的情况，只有波长在978nm以上时，误差小于10%。分析：TM波入射时，等效介质理论计算结果出现了较大误差，对于本文所选的光栅参数而言，二阶等效折射率不能精确地计算一维矩形光栅的反射率，只能对其反射特性做定性分析。,反射特性分析,一维矩形光栅表现出了单层光学薄膜的性质，可以在特定波长上实现零反射。但不能实现宽谱的减反射效果。利用等效介质理论设计的1000nm处，TE波正入射时的零反射一维矩形光栅光栅高度135.6nm,占空比0.217，光栅周期100nm,一维三角形介质光栅反射率的数值计算结果及分析,衬底及光栅区域折射率：入射区域折射率：光栅周期：光栅高度为变量,等效介质理论计算结果,将三角形结构分为L层矩形光栅结构研究，计算的反射率结果如下,有限元计算结果,结构参数与等效介质理论研究时一样，波长研究范围选为300nm-1200nm。正入射时的反射率。,（a）TE波（b）TM波,有限元计算结果,斜入射时的反射率TE波斜入射光栅周期为100nm光栅厚度为200nm,有限元计算结果,斜入射时的反射率TM波斜入射光栅周期为100nm光栅厚度为200nm,等效介质理论适用性研究,用同样的误差函数分析：,波正入射情况下的误差函数光栅周期：100nm,等效介质理论适用性研究(TE),计算结果：随波长增大，误差减小；400nm以上的光谱区域，误差小于10%；800nm以上光谱区域，误差小于1%。分析：对于本文所研究的一维三角光栅，时，可以用二阶等效折射率精确计算反射系数；对于的情况，可以用等效介质理论估计一维三角形光栅的反射特性。,等效介质理论适用性研究(TM),波正入射情况的误差函数光栅周期：100nm,等效介质理论适用性研究(TM),计算结果：随波长增大，误差减小；绝大部分研究的光谱区域，误差都大于10%。分析：TM波入射时，等效介质理论计算结果出现了较大误差，对于本文所选的光栅参数而言，二阶等效折射率不能精确地计算一维三角光栅的反射率，只能对其反射特性进行估计。,反射特性分析,正入射：对于TE波，光栅深度为400nm时，在波长为340nm-798nm内的反射率都小于5%。对于TM波，光栅深度为400nm时，波长在340nm以上时，反射率都小于2.6%，特别对于波长在340nm-730nm内的光波，反射率都小于1%，表现出良好的抗反射特性。,反射特性分析,斜入射：TE入射时，在光栅深度较大时，一维三角形光栅表现出低折射率介质表面相似的性质，因此一维三角形光栅在宽入射角条件下表现出良好的抗反射特性。对于TM波入射情况，一维三角形光栅结构在300nm-800nm光谱区域内，在入射角小于45时，均可以实现反射率小于1%的超吸收。,小结,一维矩形光栅可以实现特定波长的零反射；一维三角形