仿生蛾眼抗反射微结构光学机理研究

摘要

飞蛾眼表面是由六角形排列有序的微纳结构阵列构成，这种表面微纳结构尺度小于可见光波长，使得光波无法辨认出该微纳结构，其结构层可等效为折射率沿深度方向呈连续梯度变化的渐变折射率膜层，可减少折射率急剧变化所造成的反射现象，使得飞蛾复眼对光具有极低的反射系数。同时，仿生蛾眼抗反射微纳结构具有结构稳定性好、宽入射角和宽谱段等抗反增透特点，使其在诸多领域具有巨大的应用潜力。
　　本文介绍并总结了亚波长微结构电磁波矢量衍射理论，重点讨论了基于严格耦合波分析方法的一维光栅与二维光栅的数值计算实现过程，利用光栅衍射瑞利展开形式推导出各级衍射波倏逝条件，并对其各自的偏振特性进行分析。根据分析提出了基于一维光栅将不同偏振态光分束至不同衍射级次的三种不同分光模式的光栅结构，即反射型、半反半透型和透射型。并使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真模拟验证，分析了三种光栅的光谱特性以及制造容差大小，为光束偏振提供了一种新思路。
　　应用严格耦合波分析理论，编制程序进行微结构阵列的衍射特性数值计算仿真分析，重点分析“蛾眼”微纳结构的工作波长、结构周期、刻蚀深度、结构直径及轮廓形状等微结构参数与反射波能量和透射波能量的关系，并进行抗反射光谱宽度分析及结构尺寸容差分析，为微纳结构周期参数的具体设计与加工提供了理论依据和设计方法。分析结果发现结构周期与工作波长的比值直接影响了微结构阵列的抗反增透特性，并与高级次衍射波发生倏逝的临界角相关。引入圆锥度系数使圆柱形、圆台形和圆锥形微结构轮廓表达式连续统一，从而指出其各自结构参数选择的原则与规律，并分析了实际刻蚀产生的边缘钝化对微结构抗反射性能的影响。
　　利用数值计算仿真分析结果，设计了圆柱形、圆孔形、圆锥形、高斯面形和抛物面形等微结构阵列的尺寸参数和容差要求。制作上采用二元光刻技术、激光直写技术、湿法刻蚀技术、反应离子刻蚀技术及电子束光刻技术等在红外材料及人造石英玻璃(JGS1型)上对各种不同形状的“蛾眼”抗反射微纳结构阵列进行制作。分析了不同工艺方法适用范围和优缺点，同时通过大量实验研究了刻蚀气体流量、工作气压和射频功率等具体工艺参数对刻蚀速率及微结构形态的影响。测试上应用原子力显微镜(AFM)、热场发射扫描电子显微镜(SEM)、ZYGO白光干涉仪等表面微区分析设备来表征微纳结构形貌特征，并应用红外成像光谱仪及紫外可见分光光度计等设备进行微纳结构反射率与透射率的测试，结果表明了本文结构参数设计方法和制备流程的有效性与可行性。

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第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 仿生蛾眼微纳结构的研究现状

1.3 本论文主要研究内容

第二章 亚波长微结构衍射光学分析方法

2.1 亚波长微结构的模拟方法概述

2.2 严格模式分析方法

2.3 严格耦合波分析方法(RCWA)

2.4 本章小结

第三章 蛾眼微纳结构参数与性能关系研究

3.1 高级次衍射波倏逝条件

3.2 一维光栅偏振效应分析

3.3 二维亚波长微结构的偏振特性

3.4 本章小结

第四章 仿生“蛾眼”微纳结构阵列的设计与仿真

4.1 圆柱形抗反射微纳结构研究

4.2 圆孔形抗反射微纳结构研究

4.3 圆锥形抗反射微纳结构研究

4.4 抛物面形抗反射微纳结构研究

4.5 高斯面形抗反射微纳结构研究

4.6 本章小结

第五章 仿生蛾眼抗反射微纳结构的制作与测试

5.1 光刻技术制作抗反射微纳结构阵列

5.2 化学沉银技术制作随机排布的蛾眼微纳结构

5.3 湿法刻蚀技术制作蛾眼微结构

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 创新性工作

6.3 展 望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术研究成果