硒化锌衬底表面仿生宽带增透微结构的设计及制作 下载: 6159次
1 引言
硒化锌(ZnSe)是一种应用于红外波段的光学材料,可制成红外窗口、整流罩、透镜等光学元件,同时可以作为中红外固体激光器中激光晶体的基质材料,在激光雷达、大气遥感测控、红外探测成像、光谱学和****等领域具有重要的应用价值和前景,已成为国内外关注和广泛研究的热点[1-4]。ZnSe材料在2~5 μm波段的折射率较大,表面反射率较高。为提高其透过率,传统的解决方式是在材料表面镀增透膜。但对材料进行镀膜的同时,也会引入杂质、缺陷和水吸收,从而对薄膜的光学性能产生不良影响[5]。薄膜与基底物理性能的不匹配会造成膜基附着力差、不稳定等问题[6]。此外,多层膜的激光损伤阈值限制了大功率激光器的使用[7]。在材料表面制备仿生蛾眼型微结构可以有效避免以上问题,与多层反射膜相比,蛾眼型结构可以等效为一个折射率从空气到介质的渐变薄膜系统,具有宽角度宽光谱增透特性[8-10]。
近年来,中红外波段仿生蛾眼型微结构的增透性能被相继报道。Hobbs等[11]在ZnSe基底上单面制备了表面微结构,其在1.9~3.4 μm波长范围内的平均透过率从68.5%升至81.3%,但他们未报道该结构在更宽光谱范围内的透过率是否得以提高;后来他们发现[12],相比于减反膜,在Cr2+∶ZnSe基底上制备的表面微结构能有效消除2.9 μm波段附近的水吸收,设计的增透波段范围仅覆盖掺Cr2+激光器中的发射带。Sanghera等[13]采用直接印压法在红外玻璃光纤表面制备的微结构使其在2~5 μm波段的平均透过率超过92%,但直接印压法是否对ZnSe材料同样有效尚未见报道;Zollars等[14]在ZnSe基底两面制备了随机型微结构,处理后的样品在3~14 μm波段范围内的透过率超过80%,宽角度减反射范围达65°,但透过率的提高效果不明显。尚鹏等[15]设计了在8~14 μm具有较好增透效果的圆柱形ZnSe亚波长微结构,重点分析讨论了圆柱形方向偏差及整体面形轮廓偏差对抗反射特性的影响,模拟结果表明:圆锥形ZnSe微结构的透射性能相比圆柱形最优微结构的透射性能有较大提高,但并未进行实验验证。高永锋等[16]在硅基太阳能电池表面设计了抛物锥减反射微结构,理论上可以在可见光到近红外波段降低表面反射率。董亭亭等[17]在锗衬底表面设计并制备了圆柱形抗反射微结构,但实验结果与设计相差较大。本课题组设计了一种抛物锥仿生蛾眼型增透微结构,采用两次干涉曝光制备掩模,结合反应离子束刻蚀方法在ZnSe基底单面制备增透微结构,该结构在2~5 μm波段范围内实现了较好的增透效果。
2 微结构的设计与模拟
Stavenga等[18]认为抛物线锥微结构比圆锥和高斯钟形渐变微结构具有更好的减反射性能,抛物锥体周期阵列结构示意图如
式中ns为基底材料的折射率,θT为透射区域第m级衍射光的衍射角,m为衍射级次,λ0为入射波长,Λ为表面结构的周期,ni为空气的折射率,θI为入射角度。当透射空间只有零级衍射波时,能表现出良好的增透效果,此时表面结构的周期与入射波长之间需满足:
结构的周期、高度、底部占空比及形状是影响结构衍射特性的主要因素,使用FDTD对这些因素进行理论模拟分析,选择最优结构参数,以获得较好的增透效果。
2.1 周期对结构衍射特性的影响
由(2)式可知,当光线从空气中垂直入射到抛物锥微结构时,入射角θI为零,在透过区域仅存在零级衍射的条件为微结构的周期Λ<λ0/ns。ZnSe材料在2~5 μm红外波段的折射率约为2.42,取λ0=2 μm,对应微结构周期应小于826 nm。由光栅方程可计算得到波长和结构周期对结构衍射性能的影响。微结构周期与反射率的关系如
图 2. 微结构周期与结构参数的关系。(a) 反射率; (b) 零级透过率; (c) 总透过率
Fig. 2. Relationship between microstructure period and structure parameters. (a) Reflectivity; (b) zero-order transmittance; (c) total transmittance
2.2 底面占空比d/Λ对反射率的影响
底面占空比d/Λ的定义为底面直径与结构周期的比值,不同的占空比表示结构底部与基底界面折射率突变程度的不同。抛物锥底面占空比不同时反射率随波长的变化曲线如
图 3. 不同抛物锥体底面占空比时反射率随波长的变化曲线
Fig. 3. Variations of reflectivity with wavelength at different d/Λ values of parabolic cone
2.3 结构高度对反射率的影响
根据2.2节得到的结论,设计抛物锥体的底面直径等于周期,分析光垂直入射时结构高度对表面反射率的影响。由
图 4. 不同抛物锥体高度时反射率随波长的变化
Fig. 4. Variations of reflectivity with wavelength at different heights of parabolic cone
2.4 形状对反射率的影响
微结构的几何形状是决定衍射效率的重要因素之一。由于抛物锥形状展现出了线性渐变的折射率分布,故而在更宽的波长范围内具有更好的减反射特性。然而,在实际加工中需要精准的制造过程以得到理想的形状。仿生微结构的轮廓形状对反射率的影响如
图 5. 不同形状的仿生微结构对反射率的影响
Fig. 5. Effect of biomimetic microstructure with different shapes on reflectivity (the shape of biomimetic microstructure changing from cylindrical rod to paraboloid)
3 制备流程
制备微结构的工艺流程如
图 7. (a)洛埃镜配置图;(b)掩模的AFM图
Fig. 7. (a) Lloyd’s mirror configuration; (b) AFM image of mask
4 实验结果与分析
采用Auriga场发射扫描电镜观察微结构的形貌特征,微结构扫描电镜图如
结构呈方格点阵周期性密集排列,均匀性良好。
图 8. 微结构扫描电镜图。(a)俯视图;(b)断面图
Fig. 8. Scanning electron microscopy images of microstructure. (a) Top view (0°); (b) profile (90°)
使用Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪对制备有微结构的样品进行红外透过率测试,得到1.5~5.0 μm波段单面微结构ZnSe样品和双面抛光样品的透过率曲线, 有无微结构的透过率曲线如
表 1. 理论设计与实验结果对比
Table 1. Comparison between theoretical design and experimental results
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图 9. 透过率曲线。 (a)有无微结构;(b)模拟与实验结果
Fig. 9. Curves of transmittance. (a) With and without microstructure; (b) simulated and experimental results
2~5 μm波段内的平均透过率超过了80.9%,整体透过率提高了10%左右,在2.3 μm处的最大透过率为82%,接近单面透过率的理论最大值。同时,根据实验结果和理论分析可以计算出单面制备有微结构样品的表面最大反射率为5%。
5 结论
以FDTD为理论基础,结合激光干涉曝光技术和反应离子束刻蚀工艺,在ZnSe衬底上设计并制备了一种在2~5 μm波段范围内具有良好增透效果的抛物锥型仿生微结构。通过构建数学模型模拟分析了周期对该结构衍射的影响,讨论了微结构的高度、底部占空比及形状等对表面反射率的影响,确定了该增透结构的最优参数组合。仿真模拟和实验结果表明,在短波段范围内,微结构周期大于透过区域的零级衍射周期阈值,存在衍射损失,导致透过率下降。实验结果表明,在光垂直入射的情况下,在ZnSe基底上单面制备的周期和底部直径同为800 nm、高度为1031 nm的抛物锥型微结构,在2~5 μm波段内的平均透过率为80.9%,最大透过率达82%,具有良好的宽带增透效果。本研究可为红外材料的宽波段增透提供参考。
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