CN114200566B - 一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法，涉及光学元件设计加工技术领域，解决了现有技术中单一滤波器存在的劣势，影响系统转换效率的技术问题；包括熔石英基底，熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；本发明针对现有技术存在的问题，提出了将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器进行耦合形成串联滤波器，达到双重优化效果，能够进一步提高滤波器性能，避开了单一滤波器的劣势；本发明提供了基础遗传算法的串联滤波器设计方法，可耦合众多参数，设计精度高且可以减小膜层层数，降低多层膜制备难度，能够保证在计算机仿真简单的情况下，进行深度拟合计算达到较好的设计要求。
Description
技术领域
本发明属于光学元件设计加工领域，涉及一种串联结构的近红外带通滤波器设计技术，具体是一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法。
背景技术
热光伏系统可为深空探测器提供电力，提高其转化效率能够减少燃料消耗并降低成本；热光伏系统的系统转换效率包括光谱效率和光伏电池的量子效率，其中光谱效率由热辐射源和滤波器性能决定，因此滤波器优化设计对系统效率提升具有重要意义。
优化滤波器性能的主要目标为：准确的峰值波长、尽可能小的半高全宽以及较低的吸收率；在用于热光伏系统的近红外带通滤波器中，现有方案包括多层介质膜、透明导电氧化物薄膜和频率选择表面；多层介质膜的吸收损耗小、截止特性好，劣势在于存在多个通带且通带震荡明显；透明导电氧化物提高了载流子迁移率既可以降低透明导电氧化物滤波器的吸收水平，又可以增加其长波反射率，但目前掺杂氧化物薄膜制备方法限制了载流子迁移率；频率选择表面本质上是天线阵列，可通过结构参数设计精确调整通带的中心波长，但其半高全宽和总吸收率受限于表面等离基元的内禀属性，无法进一步压缩。
可见用于热光伏系统的近红外滤波器存在多种设计方案，包括多层介质膜、频率选择表面、透明导电氧化物薄膜等；这些滤波器均可实现近红外波段的带通滤波，但单一的滤波器存在不可克服的劣势，且严重影响系统效率；因此，亟需一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法，用于解决现有技术中单一滤波器存在的劣势，影响系统转换效率的技术问题，本发明通过将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器串联的滤波器，达到低吸收(小于0.05)窄带宽(半高全宽小于200nm)的效果，提高了热光伏系统转换效率。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种串联结构的近红外带通滤波器，包括熔石英基底；
所述熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，所述熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；
所述表面滤波器为Au膜阵列结构；其中，Au膜阵列结构包括十字形和环形；
所述多层膜滤波器包括第一匹配层、第二匹配层和周期层；其中，第一匹配层和第二匹配层分别设置在周期层两侧，且所述第一匹配层和所述熔石英基底相接触；
所述频率选择表面滤波器和所述多层膜滤波器相互耦合形成串联滤波器。
优选的，所述串联滤波器中表面滤波器的透射光谱峰值波长为1.4um-1.5um，峰值透射率0.6-0.8，半高全宽350nm-500nm。
优选的，所述串联滤波器中多层膜滤波器的透射光谱为：短波截止波长1um，长波截止波长1.5um-1.6um，截止边宽度150nm-250nm，峰值透射率大于0.8，最大震荡值小于0.2。
优选的，所述串联滤波器中多层膜滤波器的膜层材料包括高折射率的硅和低折射率的二氧化硅；其中，硅的折射率为3.4+i0.001@1.5um，二氧化硅的折射率为1.5@1.5um。
优选的，所述串联滤波器的多层膜滤波器中第一匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为150.25nm和177.05nm；
所述周期层的周期数为3，且每个周期中二氧化硅和硅的膜厚分别为191.67nm和169.20nm；
所述第二匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为300nm和165.42nm。
优选的，所述串联滤波器应用于工作温度为800℃-1500℃的GaSb电池热光伏系统。
一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，包括：
步骤1：通过测量或者计算机仿真获取频率选择表面滤波器的透射光谱信息；其中，透射光谱信息包括峰值波长λFSS，峰值透射率TFSS和半高全宽FAWHFSS；
步骤2：频率选择表面滤波器峰值波长λFSS与串联滤波器半高全宽FAWHTAG结合公式λs＝λFSS-FAWHTAG/2和λl＝λFSS+FAWHTAG/2分别获取短波截止波长λs和长波截至截止波长λl；
步骤3：选择SiO2/Si膜系，设计L/2H多层膜滤波器，利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数；将优化之后的多层膜滤波器和频率选择表面滤波器耦合生成串联滤波器；其中，遗传算法的优化目标是在截止边波长准确的情况下，获取最高的峰值透射率和最小震荡值，且截止边宽度小于200nm。
优选的，步骤3中利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数，包括：
步骤31：根据公式λ0＝4nLdL＝2nHdH计算中心波长λs<λ0<λl的二氧化硅介质膜厚dL和硅介质膜厚dH；
步骤32：根据步骤31计算结果，仿真计算不同周期层层数N的透射光谱，N越大截至边宽度越窄，但震荡越严重同时制作难度也越高，因此选择介质宽度小于200nm的最小层数N即可；
步骤33：步骤31和32确定了周期层膜厚和层数。为克服震荡，在周期曾上下各设置单SiO2/Si双层作为匹配层，利用遗传算法优化匹配层厚度值，膜厚变化区间为500nm-2000nm，初始厚度为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明针对现有技术存在的问题，提出了将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器进行耦合形成串联滤波器，达到双重优化效果，能够进一步提高滤波器性能，避开了单一滤波器的劣势。
2、本发明提供了基础遗传算法的串联滤波器设计方法，可耦合众多参数，设计精度高且可以减小膜层层数，降低多层膜制备难度，能够保证在计算机仿真简单的情况下，进行深度拟合计算达到较好的设计要求。
附图说明
图1为本发明串联滤波器的结构示意图；
图2为本发明优化前多层膜滤波器的膜层厚度直方图；
图3为本发明优化前多层膜滤波器的透射光谱图；
图4为本发明优化前多层膜滤波器在不同入射角度下，透射率随波长变化示意图；
图5为本发明优化后多层膜滤波器的膜层厚度直方图；
图6为本发明优化后多层膜滤波器的透射光谱图；
图7为本发明优化后多层膜滤波器在不同入射角度下，透射率随波长变化示意图；
图8为本发明频率选择表面滤波器的透射率曲线示意图；
图9为本发明串联滤波器的投射曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
优化滤波器性能的主要目标为：准确的峰值波长、尽量小的半高全宽以及较低的吸收率；在用于热光伏系统的近红外带通滤波器中，现有方案包括多层介质膜，透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxides，TCOs)薄膜，频率选择表面(FSS阵列结构)。多层介质膜的吸收损耗小、截止特性好，劣势在于存在多个通带且通带震荡明显(参见唐晋发，顾培夫，现代光学薄膜技术.杭州:浙江大学出版社，2006.p.24-31.)；TCOs提高载流子迁移率既可以降低TCOs滤波器的吸收水平，同时也可以增加其长波反射率，但受目前掺杂氧化物薄膜制备方法所限，载流子迁移率受限。FSS本质上是天线阵列，可通过结构参数设计精确调整通带的中心波长，但其半高全宽和总吸收率取决于表面等离基元的内禀属性，无法进一步压缩(参见Frequency Selective Surface Bandpass Filters Applied ToThermophotovoltaic Generators)。
综上，用于热光伏系统的近红外滤波器存在多种设计方案，包括多层介质膜、频率选择表面、透明导电氧化物薄膜等。这些滤波器均可实现近红外波段(1.2um-1.7um)的带通滤波，但单一的滤波器各有不可克服的劣势，并且严重影响系统效率，例如多层膜滤波器滤波通带非单一，造成中红外波段的泄漏辐射，且多层膜结构参数众多，同时基于干涉理论的一般计算方法很难达到精确频段设计要求的问题；频率选择表面的带宽无法进一步压缩；透明导电氧化物薄膜的光谱吸收率高。
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种串联结构的带通滤波器及设计方法，将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器串联的滤波器，达到低吸收(小于0.05)窄带宽(半高全宽小于200nm)的效果，可用于提高了热光伏系统转换效率。
请参阅图1，本申请提供了一种串联结构的近红外带通滤波器，包括熔石英基底；
熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；
表面滤波器为Au膜阵列结构；其中，Au膜阵列结构包括十字形和环形；
多层膜滤波器包括第一匹配层、第二匹配层和周期层；其中，第一匹配层和第二匹配层分别设置在周期层两侧，且第一匹配层和熔石英基底相接触；
频率选择表面滤波器和多层膜滤波器相互耦合形成串联滤波器。
图1中，按照第二匹配层、周期层、第一匹配层的顺序，五条白条带分分别为第一SiO2层、第二SiO2层、第三SiO2层、第四SiO2层和第五SiO2层，五条黑条带分别为第一Si层、第二Si层、第三Si层、第四Si层和第五Si层；总结来说，多层膜中的黑色条带为Si层，白色条带为SiO2层。
本申请串联滤波器中多层膜滤波器的膜层材料中，高折射率的是硅，折射率为3.4+i0.001@1.5um，低折射率是二氧化硅，折射率为1.5@1.5um；第一双单层SiO2/Si膜厚分别为150.25nm/177.05nm，薄膜层SiO2/Si周期数为3，膜厚分别为191.67nm/169.20nm，第二单双层SiO2/Si膜厚分别为300nm/165.42nm。
本申请串联滤波器中表面滤波器的透射光谱峰值波长为1.4um-1.5um，峰值透射率0.6-0.8，半高全宽350nm-500nm；串联滤波器中多层膜滤波器的透射光谱为：短波截止波长1um，长波截止波长1.5um-1.6um，截止边宽度150nm-250nm，峰值透射率大于0.8，最大震荡值小于0.2。
本申请中串联滤波器应用于工作温度为800℃-1500℃的GaSb电池热光伏系统，以及其他领域中近红外波段的系统。
请参阅图2-图9，本发明还提供了一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，包括：
步骤1：通过测量或者计算机仿真获取频率选择表面滤波器的透射光谱信息；其中，透射光谱信息包括峰值波长λFSS，峰值透射率TFSS和半高全宽FAWHFSS；
步骤2：频率选择表面滤波器峰值波长λFSS与串联滤波器半高全宽FAWHTAG结合公式λs＝λFSS-FAWHTAG/2和λl＝λFSS+FAWHTAG/2分别获取短波截止波长λs和长波截至截止波长λl；
步骤3：选择SiO2/Si膜系，设计L/2H多层膜滤波器，利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数；将优化之后的多层膜滤波器和频率选择表面滤波器耦合生成串联滤波器；其中，遗传算法的优化目标是在截止边波长准确的情况下，获取最高的峰值透射率和最小震荡值，且截止边宽度小于200nm。
值得注意的是，步骤3中利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数，包括：
步骤31：根据公式λ0＝4nLdL＝2nHdH计算中心波长为1150nm的二氧化硅介质膜厚dL和硅介质膜厚dH，并模拟五组不同周期数的透射谱；
步骤32：根据步骤31计算结果，确定多层膜滤波器的合理膜层层数范围，并根据截止边波长λs和λl确定最优层数；
步骤33：结合步骤32，设置膜厚变化区间为500nm-2000nm；匹配SiO2/Si膜层，利用遗传算法优化各层厚度值；其中，周期层厚度初始值设置为dL和dH，第一匹配层和第二匹配层的厚度值设置为0。
接下来，举例说明本发明提供的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法：
步骤1：已知频率选择表面滤波器的峰值波长λFSS＝1.4um，峰值透射率TFSS＝0.65和半高全宽FAWHFSS＝360nm，如图8；
步骤2：优化串联滤波器半高全宽FAWHTAG＝300nm，得到λs＝1.15um，λl＝1.55um；
步骤3：确定材料SiO2/Si一组膜系，设计L/2H多层膜模型，根据理论公式计算确定两种介质膜厚分别为191.7nm/169.2nm，设置周期数分别为4、8、12、16、20五组比较实验组，采用仿真软件输入模拟参数，计算出在可见-红外光谱的透射率，并比较实验数据，综合得出中心波长1150nm更看靠近设计频带要求范围，同时确定膜层层数过低或过高将直接影响透射效率，不符合设计准则，如图2显示为周期数12的透射率谱，可明显发现在我们设计要求的频宽下，即近红外波段1000-1500nm区间，具有很高峰值透射率。可绘出图1的膜厚和层数分布图，即在熔石英基底上，多层膜层数分布和厚度区间，更能直接认识多层膜物理结构。进一步分析不同角度的入射的偏振和滤波影响，设置0、15、30、45、60五个角度，并进行测算每一组的透射谱，采用软件仿真如图3和图4，灰白色带可见在中间是一个长条形，表明是最高的透射率集中区域，同时压缩在1000-1500nm区间，黑色带状即透射率降到最低，最高的波峰也处在近红外，也能看到一些褶皱，是波峰处有些震荡。
上下各匹配双单层SiO2/Si膜层，并设置优化参数膜厚变化区间500nm-2000nm(此膜厚就是遗传算法中可调控的基因)，绘制优化参数图形区域如图6中透射率优化目标，调用设置好的算法程序开始优化，此过程中会匹配不同的透射率曲线需手动选取目标最优解，如图6。然后绘制膜厚和膜层数排布图，上匹配层SiO2/Si的膜厚分别为150.25nm/177.05nm，中间周期数改变为3，大大降低了膜层，下匹配层SiO2/SiO2的膜厚分别为300nm/165.42nm。同时为了考察优化后的多层膜结构在不同入射角度的影响，采用软件仿真得到透射率曲线图7和图8，发现灰白带依然处于透射率最高的区域，几乎没有影响，同时看到波峰处的褶皱减小，即震荡程度减弱，提高膜层性能。综合验证发现优化解同时具有稳定可靠的透射率区间1.0um-1.5um，又降低膜层周期数。
将优化的多层膜参数，进行透射谱计算，与FSS阵列结构透射谱数据相乘，得到一组匹配透射谱，如图9，确定峰值波长相符合，同时FSS结构截止边在多层膜参数要求范围内，最后两组数据串联，比任一单一透射谱的性能提高，其一，半高全宽压缩至300nm，其二，稳定保持在中心波长区域范围内，依然具有很高的透射率(0.63)。
上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (6)
1.一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述近红外带通滤波器包括熔石英基底；
所述熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，所述熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；
所述表面滤波器为Au膜阵列结构；其中，Au膜阵列结构包括十字形和环形；
所述多层膜滤波器包括第一匹配层、第二匹配层和周期层；其中，第一匹配层和第二匹配层分别设置在周期层两侧，且所述第一匹配层和所述熔石英基底相接触；
所述频率选择表面滤波器和所述多层膜滤波器相互耦合形成串联滤波器；
串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，包括：
步骤1：通过测量或者计算机仿真获取频率选择表面滤波器的透射光谱信息；其中，透射光谱信息包括峰值波长λFSS，峰值透射率TFSS和半高全宽FAWHFSS；
步骤2：频率选择表面滤波器峰值波长λFSS与串联滤波器半高全宽FAWHTAG结合公式λs＝λFSS-FAWHTAG/2和λl＝λFSS+FAWHTAG/2分别获取短波截止波长λs和长波截至截止波长λl；
步骤3：选择SiO2/Si膜系，设计L/2H多层膜滤波器，利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数；将优化之后的多层膜滤波器和频率选择表面滤波器耦合生成串联滤波器；其中，遗传算法的优化目标是在截止边波长准确的情况下，获取最高的峰值透射率和最小震荡值，且截止边宽度小于200nm；
步骤3中利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数，包括：
步骤31：根据公式λ0＝4nLdL＝2nHdH计算中心波长λs＜λ0＜λl的二氧化硅介质膜厚dL和硅介质膜厚dH，并模拟五组不同周期数的透射谱；
步骤32：根据步骤31计算结果，仿真计算不同周期层层数N的透射光谱；
步骤33：步骤31和步骤32中确定了周期层和层数；在周期层上下侧各设置单SiO2/Si双层作为匹配层，利用遗传算法优化匹配层厚度值；其中，膜厚变化区间为500nm-2000nm，初始厚度为0。
2.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述串联滤波器中表面滤波器的透射光谱峰值波长为1.4um-1.5um，峰值透射率0.6-0.8，半高全宽350nm-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述串联滤波器中多层膜滤波器的透射光谱为：短波截止波长1um，长波截止波长1.5um-1.6um，截止边宽度150nm-250nm，峰值透射率大于0.8，最大震荡值小于0.2。
4.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述串联滤波器中多层膜滤波器的膜层材料包括高折射率的硅和低折射率的二氧化硅；其中，硅的折射率为3.4+i0.001@1.5um，二氧化硅的折射率为1.5@1.5um。
5.根据权利要求4所述的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述串联滤波器的多层膜滤波器中第一匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为150.25nm和177.05nm；
所述周期层的周期数为3，且每个周期中二氧化硅和硅的膜厚分别为191.67nm和169.20nm；
所述第二匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为300nm和165.42nm。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述串联滤波器应用于工作温度为800℃-1500℃的GaSb电池热光伏系统。
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