仿生蛾眼抗反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、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(jiàn)光波長(zhǎng)，使得光波無(wú)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(duì)光具有極低的反射系數(shù)。同時(shí)，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(zhǎng)微結(jié)構(gòu)電磁波矢量衍射理論，重點(diǎn)討論了基于嚴(yán)

2、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(guò)程，利用光柵衍射瑞利展開(kāi)形式推導(dǎo)出各級(jí)衍射波倏逝條件，并對(duì)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(jí)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(shí)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

3、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(zhǎng)、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(zhǎng)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(jí)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(tái)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

4、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(duì)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(xiě)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(duì)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(shí)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究了刻蝕氣體流量