CN110444898A - 一种宽带透射增强器件及控制方法 - Google Patents

一种宽带透射增强器件及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型宽带透射增强器件，器件由基底和基底上方的微纳结构阵列组成，微纳结构阵列的单位晶格中含有多个结构，这些结构的尺寸和形状可以相同也可以不同；每块结构的横截面是由多个几何图案融合而成的不规则图形；利用上述器件的透射率曲线控制方法是；根据等效介质理论设计微纳结构阵列的单位晶格中结构的个数，结构的几何参数和间距，以及单位晶格的周期，从而实现宽谱透射增强；本发明有效减少了结构的加工倒角，同时在2个倍频程的宽带范围内将材料的透射率提高了40％。

Description

一种宽带透射增强器件及控制方法
技术领域
本发明涉及二元光学和微纳米光学领域，尤其涉及一种宽带透射增强器件及控制方法。
背景技术
超表面结构是指在一种对电磁波具有调控作用的二维金属或者介质阵列。透射是指光在不同介质的分界面上中传输时，仅有一部分光经过折射后出射的现象。在红外探测和成像领域，高折射率的介质材料所导致的低透射率使得进入材料的信号强度不足，探测和成像的效率也随之下降。当下，各种减反射器件层出不穷，如何利用器件的电磁波调控功能来提高入射光进入材料时的透射率成为一项研究热门。在器件上通过有规则地排布介质阵列，设计在光入射方向上的折射率分布，或者以单层透射增强膜为基底，在其上表面构建金属阵列都可有效地在一定谱宽和入射角范围内的减小反射并且增强透射。然而，含有金属的减反射结构不可避免地存在着吸收的问题，透射进入材料的能量被削弱。部分吸收较弱的金属结构的透射增强带宽只有一个倍频程左右。通过渐变折射率实现减反射的结构深宽比较大，结构稳定性差，加工难度大，而且结构高度为2～5μm，在太阳能电池相关应用中由于扩散距离较长会导致载流子的提前复合。以往基于米氏谐振的周期性介质结构的工作带宽有限，往往局限于一个倍频程以内，一个倍频程的带宽在例如中红外这样的宽谱应用中显得略有不足。不仅如此，分立的柱形结构受加工误差的影响很大，主要体现在刻蚀结构时，结构侧壁无法与水平呈90°，常见的加工倒角是85°到87°，这使得实验数据与设计预期存在较大偏差。综上所述，成像和探测领域亟需一种全介质无吸收的、有更少加工倒角的、能在大于一个倍频程的宽带范围内都有透射增强功能的器件。
目前，用于透射增强的器件的有效工作波段普遍在一个倍频程左右，少数的几种有超过两个倍频程的透射增强器件，例如蝇眼结构和纳米线结构，具有刻蚀深宽比过大的缺陷，且设计方案对于高折射率材料难以实现。由于刻蚀工艺不可避免地会导致结构侧壁有无法与基底严格垂直，许多高深宽比的结构存在着较大的加工误差。
发明内容
本发明提出的一种新型宽带透射增强器件，虽然也含有电介质微纳结构阵列，但是是基于与米氏谐振原理不同的等效介质理论。该器件的微纳结构阵列可以被看作一层有确定有效折射率的介质膜，通过引进较为复杂的结构并设计微纳结构阵列的各种参数，可增加透射增强的谱宽至2个倍频程，且大幅减少了结构的倒角，增强了结构的加工可靠性。该器件包括位于基底上面的介质微纳结构阵列，微纳结构阵列的单位晶格中是多个不规则结构，这些结构的横截面是多个图案互相融合形成的不规则图形。该器件只需要深紫外光刻和离子束刻蚀工艺即可实现。
为了解决现有技术存在的问题，本发明采用如下技术方案：一种宽带透射增强器件，包括基底和位于基底上面的微纳结构阵列，其特征在于微纳结构阵列的单位晶格内含有多个结构。
所述微纳结构阵列的高度为H，结构之间的最小间隙为d，微纳结构阵列的最大深宽比为H/d；所述微纳结构阵列的最大深宽比，其值小于3.5。
所述结构的横截面是多个图形相互融合所形成的的不规则图形。
所述多个图形可以是任意闭合曲线或折线所围成的区域，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互交叉，以及任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套和交叉。
所述微纳结构阵列的单位晶格的周期为目标波段的最短波长的1.5-2.5倍。
所述微纳结构阵列的高度为目标波段最短波长的0.2-0.4倍。
所述微纳结构阵列的单位晶格内各个结构的各自的最小外接圆圆心之间的距离为结构间距；所述结构间距，其值为微纳结构阵列单位晶格的周期的0.25-0.5倍。
所述基底和位于基底上面的微纳结构阵列可以是以下几种材料中的任意一种或两种：第IV族材料，第IV族化合物，S基化合物，Se基化合物，III-V族化合物和氮化物。
所述器件宽带透射增强的工作波段可通过结构参数的比例调整在整个光谱范围(从紫外波段到太赫兹波段)内移动。
本发明还可以采取如下技术方案：
一种基于宽带透射增强器件的透射率曲线控制方法，其特征在于，基于等效介质理论，设计器件单位晶格内的各个结构的个数、足以充分描述结构外形的各个几何参数、结构的间距和单位晶格的周期，然后采用电磁场建模方法得到透射率曲线。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过将以往的微纳结构阵列单位晶格中的结构个数从单个变为多个，将结构横截面从简单的几何图案改为任意几何图案的融合，微纳结构阵列加工中出现的倒角数量相比于单位晶格内只有一种结构的阵列有了大幅减少，并且在2个倍频程的范围内将器件的透射率提高了40％。
附图说明
图1-1是可以用于相互融合形成本发明中任意一个结构的横截面的图形示意图；
图2-1是本发明单位晶格的三维示意图，虚线框标明被融合的方柱的位置；
图2-2是本发明单位晶格的透射率曲线示意图
图3-1是本发明单位晶格的三维示意图；
图3-2是本发明单位晶格的透射率曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明中结构的横截面可以是任意闭合曲线或折线所围成的区域，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互交叉，以及任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套和交叉。
所述器件的材料，包括基底和微纳结构阵列，可以是以下几种材料中的任意一种或两种：第IV族材料，例如Si，Ge，Diamond；第IV族化合物，例如SixGey，SiC；氧化物，例如SiO2，TiO2；S基化合物，例如ZnS；Se基化合物，例如ZnSe；III-V族化合物，例如InP，GaAs，GaN，AlN；氮化物，例如SixNy，其中，x，y表示不同的摩尔配比，x+y＝100。
利用该宽带透射增强器件的透射率曲线控制方法的具体内容是：
1、若目标波段的高频区域透射率较低，减小所有结构尺寸，同时增加融合结构中的小尺寸结构的个数。
2、若目标波段的低频区域透射率较低，增大所有结构尺寸，同时增加融合结构中的大尺寸结构的个数。
3、若透射率曲线相对于目标波段往高频区域偏移，在保持结构的体积比的前提下，增大单位晶格的周期。
4、若透射率曲线相对于目标波段往低频区域偏移，在保持结构的体积比的前提下，减小单位晶格的周期。
5、若目标波段的低频区域的透射率较低，且高频区域的透射率较高，增大结构高度。
6、若目标波段的高频区域的透射率较低，且低频区域的透射率较高，减小结构高度。
7、透射率曲线的带宽较窄，不足以覆盖目标波段，增加单位晶格中的结构个数，增大融合结构中各部分的尺寸差异。
如图2-1所示，本发明提出的一种宽带透射增强周期性器件，包括位于基底上面的微纳结构阵列；所述微纳结构阵列的单位晶格含有多个介质结构。介质结构的截面形状可以是多个任意常见几何图形融合所形成的图案，这里以多个正方形融合所形成的图案为例。
本发明中，所述器件的材料可以是第IV族材料，第IV族化合物，S基化合物，Se基化合物，III-V族化合物和氮化物。
利用本发明中提出的宽带透射增强器件实现透射增强的方法，首先，设计单位晶格中的结构参数，所述结构参数中包括形成融合结构的小方柱的个数和截面边长w1,w2,w3,...,方柱的高度h，多个用于确定方柱位置的参数p1,p2,p3,...,以及单位晶格自己的边长，也就是周期，D。然后，根据在基底中放置的二维电磁场监视器得到一条透射率曲线。通过调整结果参数来进一步提高器件的宽谱透射增强性能。
通过合理地调整结构参数中一个或多个参数的数值，最终所得到的所述透射率曲线可以在2个倍频程的宽带波长范围内均大于89％，平均透射率为93％。
实施例：
如图2-1所示，所选器件结构全部由锗构成，在中红外波段其折射率约为4，图2-1(a)中用虚线标出的部分为融合结构中的小结构。采用有限时域差分算法计算该器件结构在3-12μm波段的透射率。首先，预设一组参数，包括三类介质方柱的截面边长w1＝0.8μm,w2,＝1.3μm和w3＝0.8μm、介质方柱的高度h＝1μm，由于第2类方柱最小间距相等且到最小单元中心的距离相等，我们用4个参数p1＝2μm,p2＝2.4μm,p3＝2.7μm和p4＝4.8μm来确定方柱的位置，单位晶格自己的边长D＝6.4μm。在这些参数的前提下宽谱透射率曲线如图2-2所示。
针对上述结构进行优化，可以进一步提高宽谱透射增强性能。充分调试后得到三类介质方柱的截面边长w1＝1μm,w2,＝0.6μm和w3＝1.5μm、介质方柱的高度h＝1μm，4个用于确定方柱位置的参数p1＝4.0μm,p2＝0.9μm,p3＝2.2μm和p4＝4.0μm以及单位晶格自己的边长，也就是周期D＝5.8μm。单位晶格内的介质结构出现重叠，我们对其进行取并集处理，结构如图3-1所示。在这些参数的前提下的宽谱透射率曲线如图3-2所示，在3-12μm波段最低透射率大于89％，平均透射率93％。
尽管前文结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种宽带透射增强器件，包括基底和位于基底上面的微纳结构阵列，其特征在于微纳结构阵列的单位晶格内含有多个结构。
2.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述微纳结构阵列的高度为H，结构之间的最小间隙为d，微纳结构阵列的最大深宽比为H/d；所述微纳结构阵列的最大深宽比，其值小于3.5。
3.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述结构的横截面是多个图形相互融合所形成的的不规则图形。
4.根据权利要求3所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述多个图形可以是任意闭合曲线或折线所围成的区域，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套，任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互交叉，以及任意闭合曲线或折线所围成的区域的相互嵌套和交叉。
5.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述微纳结构阵列的单位晶格的周期为目标波段的最短波长的1.5-2.5倍。
6.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述微纳结构阵列的高度为目标波段最短波长的0.2-0.4倍。
7.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述微纳结构阵列的单位晶格内各个结构的各自的最小外接圆圆心之间的距离为结构间距；所述结构间距，其值为微纳结构阵列单位晶格的周期的0.25-0.5倍。
8.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述基底和位于基底上面的微纳结构阵列可以是以下几种材料中的任意一种或两种：第IV族材料，第IV族化合物，S基化合物，Se基化合物，III-V族化合物和氮化物。
9.根据权利要求1所述宽带透射增强器件，其特征在于，所述器件宽带透射增强的工作波段可通过结构参数的比例调整在整个光谱范围(从紫外波段到太赫兹波段)内移动。
10.一种基于宽带透射增强器件的透射率曲线控制方法，其特征在于，基于等效介质理论，设计器件单位晶格内的各个结构的个数、足以充分描述结构外形的各个几何参数、结构的间距和单位晶格的周期，然后采用电磁场建模方法得到透射率曲线。
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