基于严格耦合波分析的一维微尺度光栅结构辐射特性研究

摘要

随着微纳米技术的设计、加工水平不断提高,光栅不仅成为了一种广泛应用于光学领域的重要分光元件,而且因其良好的波长选择性,作为一类辐射特性调控元件,开始使用在太阳能电池、能量转换设备、表面热控制等领域。
　　微纳米尺度微结构表面的辐射特性,一般可以通过求解空间电磁场麦克斯韦方程组得到。严格耦合波分析(RCWA)是一种特别适用于周期性结构电磁场求解的算法,并已成熟地应用在光栅结构的电磁特性的研究中。因此,在文中详细介绍了RCWA的发展历史和算法原理,将其作为研究光栅结构辐射特性的主要技术工具。
　　光栅结构的特异吸收、透射特性的产生物理机制,可以归结为表面等离子极化(SPP)、表面声子极化(SPhP)和局域磁极化(MP)。采用严格耦合波分析法,本文研究了光栅结构的波长选择性机理。对用于光栅结构吸收峰值预测的等效电容电感(LC)电路模型,进行了分析和改进。研究了穿透深度色散、电荷分布系数取值对等效LC电路模型的影响,并把等效LC电路模型推广到MPn(n>1)峰值的预测上。
　　微结构光栅一般贴附在基底薄膜上,考虑薄膜加工、安装精度会导致光栅基底的周期性褶皱,将硅质光栅用多层模型近似,对其褶皱的影响进行了分析和研究。研究结果表明,不同类型的周期性褶皱结构尺寸的变化,产生辐射特性的变化规律是不同的。硅质光栅基底的一定角度的弯曲,可以作为一种微调手段调控光栅结构的辐射特性。
　　最后,利用多层光栅模型对大闪蝶翅膀结构进行了建模,分析了模型各参数的变化对结构色的改变的影响。结果显示,纵向尺寸对辐射特性的影响,要明显大于横向尺寸,这证实了很多文献借助简单的多层模型和光子晶体模型研究大闪蝶成色的合理性。观察到大闪蝶翅膀的颜色,会随角度和环境折射系数发生变化;对仿大闪蝶翅膀微结构的光栅模型进行了数值模拟,结果很好地解释了这种现象。

目录

基于严格耦合波分析的一维微尺度光栅结构辐射特性研究

STUDY ON RADIATIVE PROPERTIES OF ONEDIMENSIONAL MICROSCALE GRATINGSWITH RIGOROUS COUPLED-WAVE ANALYSIS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 一维光栅结构的辐射特性研究背景及意义

1.2 光栅辐射特性的研究发展和现状

1.2.1 光栅结构辐射特性机理的发展和现状

1.2.2 大闪蝶底鳞辐射特性的研究发展和现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 一维周期性结构的严格耦合波分析理论

2.1 严格耦合波分析理论概述

2.1.1 严格耦合波分析理论介绍

2.1.2 一维周期性结构的严格耦合波分析发展历史

2.2 RCWA中使用的基本理论

2.2.1 麦克斯韦方程组

2.2.2 波动方程

2.2.3 光栅的Rayleigh展开式

2.2.4 光栅区域的电磁场描述

2.3 RCWA的具体实施过程

2.3.1 TE极化入射情形

2.3.2 TM极化入射情形

2.4 本文数值模拟使用的软件介绍

2.5 本章小结

第3章 光栅结构的辐射特性机理

3.1 金属光栅的辐射特性机理研究

3.2 等效LC电路模型的分析

3.2.1 考虑穿透深度色散关系对LC电路模型的影响

3.2.2 考虑电荷不均匀系数对LC电路模型的影响

3.3 本章小结

第4章 弧形光栅结构的辐射特性研究

4.1 弧形光栅计算模型的建立

4.2 硅质弧面光栅的辐射特性

4.2.1 多层近似模型的稳定性和准确性检验

4.2.2 三种弧形光栅随弯曲角度的变化规律

4.2.3 三种弧形光栅随弯曲半径的变化规律

4.2.4 弧形光栅的方向发射率和场值分布

4.3 本章小结

第5章 大闪蝶翅膀的结构色研究

5.1 大闪蝶翅膀的模型各参量的影响

5.1.1 横向参数对结构色的影响

5.1.2 纵向参数对结构色的影响

5.1.3 底鳞下层结构参数对结构色的影响

5.2 大闪蝶翅膀的结构色现象解释

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢