本文關(guān)鍵詞：仿生蛾眼抗反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)機(jī)理研究

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【摘要】：飛蛾眼表面是由六角形排列有序的微納結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成,這種表面微納結(jié)構(gòu)尺度小于可見光波長,使得光波無法辨認(rèn)出該微納結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)層可等效為折射率沿深度方向呈連續(xù)梯度變化的漸變折射率膜層,可減少折射率急劇變化所造成的反射現(xiàn)象,使得飛蛾復(fù)眼對光具有極低的反射系數(shù)。同時,仿生蛾眼抗反射微納結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、寬入射角和寬譜段等抗反增透特點(diǎn),使其在諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。本文介紹并總結(jié)了亞波長微結(jié)構(gòu)電磁波矢量衍射理論,重點(diǎn)討論了基于嚴(yán)格耦合波分析方法的一維光柵與二維光柵的數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程,利用光柵衍射瑞利展開形式推導(dǎo)出各級衍射波倏逝條件,并對其各自的偏振特性進(jìn)行分析。根據(jù)分析提出了基于一維光柵將不同偏振態(tài)光分束至不同衍射級次的三種不同分光模式的光柵結(jié)構(gòu),即反射型、半反半透型和透射型。并使用時域有限差分法(FDTD)進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證,分析了三種光柵的光譜特性以及制造容差大小,為光束偏振提供了一種新思路。應(yīng)用嚴(yán)格耦合波分析理論,編制程序進(jìn)行微結(jié)構(gòu)陣列的衍射特性數(shù)值計(jì)算仿真分析,重點(diǎn)分析“蛾眼”微納結(jié)構(gòu)的工作波長、結(jié)構(gòu)周期、刻蝕深度、結(jié)構(gòu)直徑及輪廓形狀等微結(jié)構(gòu)參數(shù)與反射波能量和透射波能量的關(guān)系,并進(jìn)行抗反射光譜寬度分析及結(jié)構(gòu)尺寸容差分析,為微納結(jié)構(gòu)周期參數(shù)的具體設(shè)計(jì)與加工提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期與工作波長的比值直接影響了微結(jié)構(gòu)陣列的抗反增透特性,并與高級次衍射波發(fā)生倏逝的臨界角相關(guān)。引入圓錐度系數(shù)使圓柱形、圓臺形和圓錐形微結(jié)構(gòu)輪廓表達(dá)式連續(xù)統(tǒng)一,從而指出其各自結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的原則與規(guī)律,并分析了實(shí)際刻蝕產(chǎn)生的邊緣鈍化對微結(jié)構(gòu)抗反射性能的影響。利用數(shù)值計(jì)算仿真分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了圓柱形、圓孔形、圓錐形、高斯面形和拋物面形等微結(jié)構(gòu)陣列的尺寸參數(shù)和容差要求。制作上采用二元光刻技術(shù)、激光直寫技術(shù)、濕法刻蝕技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)及電子束光刻技術(shù)等在紅外材料及人造石英玻璃(JGS1型)上對各種不同形狀的“蛾眼”抗反射微納結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行制作。分析了不同工藝方法適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn),同時通過大量實(shí)驗(yàn)研究了刻蝕氣體流量、工作氣壓和射頻功率等具體工藝參數(shù)對刻蝕速率及微結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。測試上應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)、熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、ZYGO白光干涉儀等表面微區(qū)分析設(shè)備來表征微納結(jié)構(gòu)形貌特征,并應(yīng)用紅外成像光譜儀及紫外可見分光光度計(jì)等設(shè)備進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)反射率與透射率的測試,結(jié)果表明了本文結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法和制備流程的有效性與可行性。
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN305.7

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