CN106066501A - 无序子结构光栅及通过二次随机函数设计光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无序子结构长周期光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅中的各个周期单元的结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅。本发明还公开了通过二次随机函数设计光栅的方法，本发明将有序结构和无序结构融合在一起，在能继承有序结构优点的同时，获得无序结构在带宽和角度等方面更强的操控能力，在光波长为300~1000nm的大带宽范围内陷光效果比其他无序结构提高了近90%。

Description

无序子结构光栅及通过二次随机函数设计光栅的方法
技术领域
本发明涉及光栅设计技术领域，具体涉及无序子结构光栅，还涉及通过二次随机函数设计光栅的方法。适用于光谱学、集成光电器件、通信、传感、液晶面板、太阳能电池和原子能等方面。
背景技术
表面光学结构如光栅、光子晶体以及其它有序和无序的光学结构等可以调节入射光和反射光的带宽、偏振、角度和谐振等方面的性能，从而实现光耦合、光脉冲整形、光滤波、光栅反射器、光抗反射器、光吸收器和光谐振器等功能，在光谱学、集成光电器件、通信、传感、液晶面板、太阳能电池和原子能等方面具有广泛应用。
表面光学结构从呈现的外在特征来看有三种类型：第一种是有序结构周期性排列而成，如光栅和光子晶体等；第二种是随机无序的表面结构；第三种是结合整体有序和局部无序的混合结构，即无序子结构的长周期光栅。有序结构设计容易，制作工艺也相对成熟，但是存在角度谱和带宽有限等问题。无序结构可以改善角度谱和带宽上的性能，但是无序结构通常是在材料沉淀生长和图形刻蚀等制造过程中因工艺误差较大随机得到的，对于具体怎样设计无序结构，设计什么样的无序结构还需进一步研究，难于通过系统的方法设计，造成其应用受限。
所以我们提出了一种利用随机函数二次，在有序长周期结构中引入紊乱的无序子结构组合成混合表面结构的设计方法。该方法能继承有序结构优点的同时，获得无序结构在带宽和角度等方面更强的操控能力。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供无序子结构光栅，还提供了通过二次随机函数设计光栅的方法，本发明利用随机函数和编码的方法解决了如何系统的设计无序子结构长周期光栅。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
无序子结构光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅中的各个周期单元的结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
如上所述的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
如上所述的光栅基质为非晶硅基质。
通过二次随机函数设计光栅的方法，包括如下步骤：
步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异，在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于1；
步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为：
步骤2.1、利用随机函数在M个备选子结构中选取N个子结构，N大于等于1小于等于M，N个子结构的编号分别标记为0～N-1；
步骤2.2、利用随机函数将N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将N个子结构按照子结构编号顺序进行排列获得周期单元；
步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，即X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构长周期光栅；
步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。
如上步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明利用随机函数将有序结构和无序结构融合在一起，是一种系统的设计无序子结构长周期光栅的方法。
2、 无序子结构长周期光栅能继承有序结构优点的同时，获得无序结构在带宽和角度等方面更强的操控能力，在光波长为300~1000nm的大带宽范围内陷光效果比背景技术中涉及的其他无序结构提高了近90% 。
附图说明
图1是实施例2中选取5个子结构作为备选子结构的示意图，T为子结构周期长度；
图2是实施例2中从5个备选子结构中取4个子结构的示意图；
图3是实施例2中一维无序子结构长周期光栅的周期单元示意图；
图4是实施例2中的一维无序子结构长周期光栅的结构示意图；
图5是实施例3从备选子结构中选取4个子结构的示意图，（a）选取的子结构的第一种情况；（b）选取的子结构的第二种情况；（c）选取的子结构的第三种情况；
图6是实施例3中的3种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的随机排序的子结构编号顺序，（a）无序结构1（第一种一维无序子结构长周期光栅的周期单元）；（b）无序结构2（第二种一维无序子结构长周期光栅的周期单元）；（c）无序结构3（第三种一维无序子结构长周期光栅的周期单元）；
图7是实施例3中获得的二维无序子结构长周期光栅。
在图中，数字均为编号，并不代表部件的数字标记。另4T指的是四个子结构长度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进一步详细说明：
实施例1：
无序子结构光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅中的各个周期单元的结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
优选的，所述的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
优选的，所述的光栅基质为非晶硅基质。
通过二次随机函数设计光栅的方法，包括如下步骤：
步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异，在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于1；
步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为：
步骤2.1、利用随机函数在M个备选子结构中选取N个子结构，N大于等于1小于等于M，N个子结构的编号分别标记为0～N-1；
步骤2.2、利用随机函数将N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将N个子结构按照子结构编号顺序进行排列获得周期单元；
步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，即X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构长周期光栅；
步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。
优选的，步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
实施例2：
如图1～4，在本实施例的无序子结构光栅中，一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构顺序为三角形子结构、第一U形槽子结构、方形槽子结构、第二U形槽子结构，第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下。一维无序子结构长周期光栅为一种，一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅。其他与实施例1一致。
在本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中，周期单元的各个子结构选自备选子结构，备选子结构中子结构的种类比周期单元中子结构的种类多1个。备选子结构包括方形子结构、三角形子结构、第一U形槽子结构、第二U形槽子结构、第三U形槽子结构。第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构的槽口朝右。
在本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中，步骤3中的一维无序子结构长周期光栅为一种，步骤2中从备选子结构中选取的子结构进行0～3编号。编号0～3对应的子结构的形状依次为方形子结构、三角形子结构、第一U形槽子结构、第二U形槽子结构，第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下。
一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构编号依次为1、2、0、3，子结构的形状依次为三角形子结构、第一U形槽子结构、方形子结构、第二U形槽子结构，单个一维无序子结构长周期光栅构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
其他与实施例1一致。
实施例3：
如图5～7，在本实施例中的无序子结构光栅中，一维无序子结构长周期光栅为三种，三种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
第一种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构顺序为第二U形槽子结构、三角形子结构、第一U形凹槽子结构、方形子结构。
第二种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构顺序为三角形子结构、第一U形凹槽子结构、方形子结构、第三U形凹槽子结构。
第三种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构顺序为第一U形凹槽子结构、第二U形凹槽子结构、三角形子结构、第三U形凹槽子结构。
第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构的槽口朝右。
其他与实施例1一致。
在本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中，周期单元的各个子结构选自备选子结构，备选子结构中子结构的种类比周期单元中子结构的种类多1个。
一维无序子结构长周期光栅为3种，3种一维无序子结构长周期光栅依次沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中，步骤1中的备选子结构包括方形子结构、三角形子结构、第一U形槽子结构、第二U形槽子结构、第三U形槽子结构。第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构的槽口朝右。
如图5所示，在本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中，第一种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构从备选子结构中选取，并进行0～3编号。编号0～3对应的子结构的形状依次为方形子结构、三角形子结构、第一U形槽子结构、第二U形槽子结构，第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下。
第二种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构从备选子结构中选取，并进行0～3编号。编号0～3对应的子结构的形状依次为方形子结构、三角形子结构、第一U形槽子结构、第三U形槽子结构，第一U形槽子结构的槽口朝上，第三U形槽子结构的槽口朝右。
第三种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的子结构从备选子结构中选取，并进行0～3编号。编号0～3对应的子结构的形状依次为三角形子结构、第一U形槽子结构、第三U形槽子结构、第二U形槽子结构。第一U形槽子结构的槽口朝上、第二U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构的槽口朝右。
图6是本实施例的通过二次随机函数设计光栅的方法中的3种一维无序子结构长周期光栅中的周期单元的随机排序的子结构编号顺序，（a）无序结构1（第一种一维无序子结构长周期光栅的周期单元,记第一周期单元，利用步骤2随机排列后的子结构编号为3、1、2、0，对应的子结构形状依次为第三U形槽子结构、三角形子结构、第一U形凹槽子结构、方形子结构）；（b）无序结构2（第二种一维无序子结构长周期光栅的周期单元,记第二周期单元，利用步骤2随机排列后的子结构编号为1、2、0、3，对应的子结构形状为三角形子结构、第一U形凹槽子结构、方形子结构、第三U形凹槽子结构）；（c）无序结构3（第三种一维无序子结构长周期光栅的周期单元,记第三周期单元，利用步骤2随机排列后的子结构编号为1、3、0、2，对应的子结构形状为第一U形凹槽子结构、第二U形凹槽子结构、三角形子结构、第三U形凹槽子结构）；
如图7所示，3种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴分布构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。其他与实施例1相同。
本实施例获得的无序子结构光栅，在带宽和角度等方面更强的操控能力，在光波长为300~1000nm的大带宽范围内陷光效果比背景技术中涉及到的现有无序结构提高了近90% 。
综上所述本发明的优点在于：利用编码和随机函数，在有序长周期结构中引入紊乱的无序子结构组合成混合表面结构，该方法能继承有序结构优点的同时，获得无序结构在带宽和角度等方面更强的操控能力，形成了一种新型的较为系统的设计含无序子结构的长周期光栅的方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.无序子结构光栅，其特征在于，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅中的各个周期单元的结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
2.根据权利要求1所述的无序子结构光栅，其特征在于，所述的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
3.根据权利要求1～2所述的任意无序子结构光栅，其特征在于，所述的光栅基质为非晶硅基质。
4.通过二次随机函数设计光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异，在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于1；
步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为：
步骤2.1、利用随机函数在M个备选子结构中选取N个子结构，N大于等于1小于等于M，N个子结构的编号分别标记为0～N-1；
步骤2.2、利用随机函数将N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将N个子结构按照子结构编号顺序进行排列获得周期单元；
步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，即X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构长周期光栅；
步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。
5.根据权利要求4所述的通过二次随机函数设计光栅的方法，其特征在于，步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
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