CN102269936A - 一种仿真飞蛾复眼光学减反射结构图案的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多光束激光干涉技术产生飞蛾复眼周期性减反结构图案的方法和系统，该系统由激光器，扩束准直系统，分束与折光系统，半波片，偏振片，CCD等组成，其特征是用激光干涉系统，将六或六个以上相干激光束组合，对干涉场内的光强度分布进行强弱调制，用调制后重新分布的光强度分布，获得微米或纳米级飞蛾复眼周期性结构图案。用该方法极大程度地实现了飞蛾复眼周期性阵列结构的仿真，并且通过调整干涉系统的入射角及空间角，来调整结构图案的周期和特征尺寸从纳米级到微米级，使纳米级、微米级结构的制造更加便捷，精确实现仿生飞蛾复眼减反结构的制备，从而提高光的吸收效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用多光束激光干涉技术仿真飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的方法和系统，属于对仿真光学减反射结构图案的改进。
技术背景
蛾眼结构是一种光学减反射结构。1967年，Bernhard发现一种夜行性飞蛾，其眼角膜几乎不产生对红外光的反射，其原理已广泛研究至今[1]。飞蛾复眼由很多单眼组成，这种构造让它们具有非常好的减反射效率。研究人员受蛾眼结构的减反射特性启发，在太阳能电池表面制作出类似蛾眼结构并且周期性分布的阵列结构，可以达到太阳能电池更高的转换效率[2，3]。
目前太阳能电池减反射结构的制作常被采用方法有：(1)碱腐蚀、酸腐蚀、电化学腐蚀方法。虽然工艺简单，但是腐蚀后表面结构的结果带有一定的随机性，腐蚀后与反射率有直接关系的单元尺寸都在一个较大的变化范围之内，要想获得最低的反射率，必须精确控制反应进程，而且反应过程中使用的腐蚀液会对人和环境造成很大污染[3-5]。(2)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法。用该方法沉积SiNx薄膜用于晶硅基片的减反射膜的制作，但是PECVD沉积非常昂贵。此外，商用化的SiNx薄膜通常是专门针对波长大约600nm减反射的，在包含部分入射太阳能的其它波长范围，反射损失快速增加。另外，对于多层膜而言，由于镀膜材料的限制，其与基体材料不同的化学和物理特性，将导致附着效果、热匹配和膜层稳定性受到影响。
激光干涉纳米制造是当前具备快速、低成本和大面积纳米结构制造优势和潜力的技术之一。激光干涉纳米光刻是利用两束或两束以上的光束相干叠加时，会产生强度周期性调制的光强能量分布，当这种周期调制的光强能量分布与材料相互作用时，可在材料表面制造出纳米结构，衬底可以是平面或曲面。该技术较离子束光刻IBL(ion beam lithography)、电子束光刻EBL(electron beamlithography)和扫描探头光刻SPL(scanning probe lithography)技术而言更适合于批量生产[6-7]。较纳米压印NIL(nano imprint lithography)存在图案形状是随机可调和可在曲面上完成等优势。
因此，本发明提出利用激光干涉技术制备仿真飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的方法和系统，属于对现有光学减反射结构图案实现方法及系统的改进[8]。
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发明内容
本发明为了更好的实现高仿真度的飞蛾复眼减反射结构图案，提出一种利用多光束激光干涉技术仿真飞蛾复眼减反射周期性结构图案的方法和系统，采用六光束干涉的方法仿真飞蛾复眼结构图案。本系统包括：激光器，扩束准直系统，分束与折光系统，偏振片，半波片，CCD等。由激光器发出的激光束，由分束与折光系统将激光束分成六束相干光，通过系统中每路光中放置的半波片和偏振片的镜组，将六束相干光的各个光路的偏振状态和光强度分别进行控制，使相干光束获得干涉，在CCD或成像表面上形成高仿真度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案，干涉图案的形状和质量更精确可控。对于六光束的其中三束光与另外三束光采用正交入射的方法，设定三光束中的两束光的入射角相同，另外一束光的入射角不同于这两束光，使各个光路的激光光束入射角范围为0°到90°，并且设定各束相干光的偏振状态一致，经扩束准直系统后，得到高仿真度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
通过变换和调整光路中分束与折光系统中的分光元件和折光镜之间的相对摆放位置和角度，改变相干光束的入射角，从而调整飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的参数，使系统图案的特征尺寸可从纳米级至微米级可调，工作波段具有可控性。基于现有的光路条件下，可视需要增减光束数及改变每束光的参数来得到预期想要得到的图形。
激光干涉光刻是一种以其大面积、高效率、低成本制作微纳图案而广泛受到关注。其能够制作微米级、纳米级及微纳混合的周期性图案，对于微纳周期性图案可通过改变入射光的入射角、空间角等来实现。利用激光干涉光刻的方法制作周期性阵列图形可直接制作在太阳能电池表面，不受外来材料干扰，耐用、持久，并具有低成本、能制作大面积周期性图形的优点。
目前蛾眼结构仿真技术多是实现了飞蛾复眼中单眼的均匀周期性排布。本发明利用激光干涉的方法产生了飞蛾复眼的减反射结构图案，填补了高仿真度飞蛾复眼减反射结构的研究在国内外研究领域的空白。本发明所产生的图案为实现激光干涉光刻技术在基质材料上制作大面积、高仿真度飞蛾复眼减反射结构提供了新的途径。
本发明与现有方法和系统相比有以下优点：
由于光路中在每一束相干光中设置了光学偏振器件，对每一束光的偏振状态和光强度分别进行调控，以提高干涉图形的对比度，使干涉图形的形状和质量更精确可控等优点。
由于激光干涉技术仿真飞蛾复眼周期性结构图案可以通过设定特定入射角及偏振状态，从而实现不同周期，不同密度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案，具有周期性好、图案密度可调性好的优点。
由于激光干涉技术可产生纳米级到微米级可调的结构图案，具有图形特征尺寸小、组合灵活的优点。
由于激光干涉技术制作本发明所产生的图案无需掩膜，曝光场面积大，效率高，制作工艺相对简单，具有快速、大面积、高效、低成本实现飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的优点。
由于激光干涉技术制作本发明所产生的微纳结构可以通过机械移动基片工件台或者干涉光学系统的方法实现大面积周期性结构的制备，具有制作大面积周期性光学减反射结构的优点。
附图说明
图1为本发明采用六光束干涉实现飞蛾复眼结构图案的系统示意图；
图2为本发明采用六光束干涉实现飞蛾复眼结构图案的系统光路图；
图3和图4为本发明产生的飞蛾复眼二维结构仿真图案；
图5为CCD采集的六光束激光干涉形成的飞蛾复眼结构图案。
具体实施方式
如图1所示，为本发明采用六光束干涉实现飞蛾复眼光学减反射结构图案的系统示意图，采用的激光干涉的系统包括激光器1，扩束镜2，准直系统3，反射镜4，偏振器件5，分束与折光系统6，CCD 7。由激光器1发出的激光束经扩束2和准直3后，被反射镜4折转光路，通过偏振器件5将光束变成线偏振光，再由分束与折光系统6先将激光束分成六个相干光束，再将六束光的每三束光分别在X、Y平面内入射，使它们以一定的入射角同时照射到CCD 7上，形成飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
采用图2所示的六光束干涉实现飞蛾复眼结构图案的系统光路图，分束与折光系统分别由五个分光元件4、5、7、8、13和九个折光镜2、3、6、9、10、11、12、14、15组成。激光束由激光器1出射，进入分束与折光系统，五个分光元件4、5、7、8、13中的每一个分光元件依次将入射的光束分成二束光出射，九个折光镜2、3、6、9、10、11、12、14、15置于分光元件之后，起转折光路的作用，调整分束与折光系统中分光镜和折光镜的摆放位置和角度，经扩束准直系统18后，使六束相干光中的各光束以各自预先设定的空间入射角同时照射到CCD 16上。调整每束光路中的半波片及偏振片镜组17，使参与干涉的每一束相干光的光强和偏振状态一致，得到图5所示的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
Claims (9)
1.一种采用六光束激光干涉技术产生飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的方法和系统，其特征在于，系统包括：激光器，扩束准直系统，分束与折光系统，偏振片，半波片，CCD等。由激光器发出的激光束，由分束与折光系统将激光束分成六束相干光，通过系统中每路光中放置的半波片和偏振片的镜组，将六束相干光的各个光路的偏振状态和光强度分别进行控制，使相干光束获得干涉，在CCD或成像表面上形成高仿真度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
2.根据权利要求1所述的方法和系统，其特征在于，选择六束相干光，使其中三束光在同一平面内，另外三束光在另一平面内，并且两平面互相垂直。设定三光束中的两束光在法线两侧并入射角相同，其余光束的入射角不同于这两束光，使各个光路的激光光束入射角范围为0°到90°，并且设定各束相干光的偏振状态一致，干涉形成高仿真度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
3.根据权利要求1-2所述的方法和系统，其特征在于，相干光束数也可以是六束以上，选择相干光束满足权利要求1的条件，实现多于六光束的干涉，形成高仿真度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
4.根据权利要求1-3所述的方法和系统，其特征在于，通过变换和调整光路中分束与折光系统中的分光元件和折光镜之间的相对摆放位置和角度，改变相干光束的入射角或空间角，从而调整飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案的参数。
5.根据权利要求1-4所述的方法和系统，其特征在于，可以改变六光束干涉入射光束的波长、入射角、空间角、偏振状态、位相、光强等参数，使系统干涉图案的特征尺寸可从纳米级至微米级可调，从而得到不同周期、密度、特征尺寸和对比度的飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案，工作波段具有可控性。
6.根据权利要求1-5所述的方法和系统，其特征在于，该系统的干涉图案特征尺寸通过用线位移或角位移控制系统改变入射光的入射角、空间角实现飞蛾复眼结构图案周期从纳米级到微米级可调。
7.根据权利要求1-6所述的方法和系统，其特征在于，该系统可以通过扩束系统实现大面积飞蛾复眼周期性光学减反射结构图案。
8.根据权利要求1-7所述的方法和系统，其特征在于，该系统可以通过多次曝光及逐行扫描的方式，实现大面积周期性飞蛾复眼光学减反射结构的制备。
9.根据权利要求8所述的方法和系统，其特征在于，该系统可以通过机械移动基片工件台或者干涉光学系统的途径实现大面积周期性飞蛾复眼光学减反射结构的制备。
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| CN102269936B (zh) | 2013-07-10 |
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Granted publication date: 20130710 |