基于传统抛物面蛾眼结构(PSMS)的优良减反性能,设计出一种具有抛物线中心截面的新型苞状蛾眼结构(BSMS)。采用时域有限差分法(FDTD),通过对比PSMS在不同底面直径和高度下的平均反射率,确定了最佳底面直径为200 nm;在此基础上分析了PSMS、BSMS及圆锥形蛾眼结构(CSMS)在不同高度下的反射率大小和截面电场强度分布,并通过等效介质理论对BSMS的减反性能进行进一步理论分析。结果表明:在300~1200 nm波段和300~1000 nm高度范围内,BSMS的平均反射率均低于PSMS及CSMS;当底面直径为200 nm、高度为800 nm时,BSMS的平均反射率低至0.19%,减反效果约为PSMS的3.5倍,约为CSMS的3.8倍,具有优异且平稳的抗反射性能,为减反结构的进一步设计和优化提供了参考。

为降低太阳电池封装材料PET薄膜的反射率, 采用严格耦合波分析(RCWA)方法对基于蛾眼阵列的减反层进行了优化设计。对比研究了圆锥形、抛物线形和正弦形蛾眼结构的减反性能, 结果表明圆锥形蛾眼结构具有最佳全向宽光谱减反性能。分析了圆锥体几何参数对太阳光透过率的影响, 为参数选取提供依据。在此基础上, 提出基于柱形与锥形复合结构的蛾眼阵列, 通过参数优化, 进一步提高了太阳光在大角度入射条件下的透过率。优化后复合结构的蛾眼阵列的PET薄膜对波长范围在0.3~1.1μm、入射角度为0°~90°的入射太阳光角度归一化透过率达到0.9664, 相比于未采取减反措施的PET薄膜透过率提高12.77%。

为提高红外材料光学表面的抗反射能力, 设计了一种具有双周期嵌套式结构抗反射超表面。通过分析在双周期嵌套式结构周围的介电常数ε变化情况, 仿真模拟得到反射率。重点分析了当微纳结构发生变化时这种嵌套结构与单一结构表面抗反射特性的差别。通过改变嵌套结构表面占空比、顶底端直径比以及长径比等参数仿真模拟, 对抗反射特性进行分析, 最终优化出的结构在2.4~12 μm的超宽波长范围内反射率均低于3.5%, 在中长波实用波段范围内平均反射率低于1%。这种结构有效地保护了微结构形貌不被破坏, 实现了单一结构抗反射特性效果的叠加, 进一步降低了元件表面的反射率, 可以作为一种新型的减反增透表面应用于红外窗口。

采用时域有限差分法,对均匀蛾眼结构(UMS)和双混合蛾眼结构(BHMS)进行仿真,分析底面直径和高度对反射率的影响规律,比较了UMS与BHMS的减反射性能。基于反射率曲线和电场强度分布,分析了BHMS优异的减反射性能。结果表明:在300~1200 nm波段,UMS的反射率随着高度的增大而减小,随着底面直径的增大而先减小后增大;当底部直径为250 nm时,由不同高度的UMS组成的BHMS的平均反射率大于相应UMS的最小平均反射率;由不同底面直径UMS组成的BHMS的减反射性能可以进一步提升。

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构, 该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜, 平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况, 得出在设计波段内, 随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算, 利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm, F数为5, 视场角13°, 光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示, 蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言, 对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。

本研究采用严格耦合波分析法设计具有宽带广角抗反射特性的ZnS MS材料的蛾眼亚波长周期微纳结构。基于严格耦合波理论, 控制周期尺寸小于入射波长与材料折射率的比值, 实现高级次衍射波为倏逝波, 以提高蛾眼结构宽带抗反射效率。采用时域有限差分法分析蛾眼结构周期、底端直径、结构高度和顶端直径对光谱透过率的影响, 并对4种结构参数进行优化。此外, 还选取可见光、近红外和中红外三个特征波长进行宽角度入射的电场分析。研究结果表明：在短波范围内, 蛾眼宽角度抗反射性能取决于结构表面的减反射和前向散射的能力; 而在长波范围内, 蛾眼结构被视为ZnS MS平面膜层, 其光谱特性主要受Fabry-Perot干涉影响。该研究为不同波段宽角度蛾眼结构设计提供了理论依据和设计方法。

在亚波长区(λ/n<Λ<λ)具有较低反射率和零级透射率,然而在小周期区(Λ<λ/n)具有低反射率和透射率。因此,基于严格耦合波分析(RCWA)理论,以硅基底仿生小周期蛾眼微纳结构为例,设计并分析了针对该结构反射率及透射率的影响因素,如占空比、刻蚀深度、周期等,并给出了最优化参数组合。在制作过程中采用电子束刻蚀及剥离技术进行掩模图形的光刻,然后经过反应离子刻蚀得到所需深度。最后,应用原子力显微镜进行结构形貌表征,红外光谱仪测试得到该结构反射率在7%左右,透射率约为69%～93%。

采用时域有限差分(FDTD)法对中红外波段(3~5 μm)硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析, 获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工, 对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构, 并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明, 仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。

通过分析仿生蛾眼抗反射阵列周期对反射率和透射率的影响,获得了波长与周期之比与反射波能量和零级透射波能量直接相关,分界线符合±1级衍射倏逝条件。在亚波长区具有低反射率和低零级透射率,而在小周期区具有低反射率和透射率。并且通过引入微结构顶面与底面直径之比圆锥度系数概念来表征微结构形状,从而能够分析圆锥形、圆台形、圆柱形仿生蛾眼微纳结构之间不同形状过渡的变化趋势,进而实现了制备微纳结构形状的误差分析。

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率, 将蛾眼微结构应用于OSCs上。通过理论模拟计算, 得出在有机层厚度一定的情况下, 带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高。通过对微结构形貌、周期和高度的优化, 使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3%。器件光场分布的模拟计算表明, 光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果。