仿生蛾眼抗反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)機理研究.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)尺度小于可見光波長，使得光波無法辨認出該微納結(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，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，重點討論了基于嚴

2、格耦合波分析方法的一維光柵與二維光柵的數(shù)值計算實現(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)進行仿真模擬驗證，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)用嚴格耦合波分析理論，編制程序進行微結(jié)構(gòu)陣列的衍射特

3、性數(shù)值計算仿真分析，重點分析“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)計與加工提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法。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)值計算仿真分析結(jié)果，設(shè)計了圓柱形、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)陣列進行制作。分析了不同工藝方法適用范圍和優(yōu)缺點，同時通過大量實驗研究了刻蝕氣體流量