[发明专利]一种宽谱广角增透亚波长结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳光子技术领域，尤其涉及一种在需要宽谱广角增透的器件表面制备理想性能的亚波长结构的方法。

背景技术

到目前为止，以玻璃和树脂为主体材料的光学元件占有绝大部分的市场份额，其中以宽谱广角透明为基本要求的功能光学元件是这些光学元件家族的主力，广泛应用在显示、成像、聚焦等光学领域。特别是在未来的太阳能利用领域，国际能源署2010年预测，以高倍聚光器为主要元件的高倍聚光光伏系统和聚光太阳电力系统(concentrated solar power)在2020年前后，将在太阳能利用中占据主导地位，成为现有能源的重要补充和替代。这里高倍聚光器将成为不可或缺的光学元件；此外，无论是晶Si电池、薄膜电池以及其他类型电池，最后都需要封装在玻璃中以避免电池的快速老化；而对于最近提到日程的环保建筑、绿色建筑和建筑光伏一体化而言，其所用的超白玻璃、光伏玻璃更是该类产业的主角。而该类光学元件在太阳光谱和广角范围内的透过率都将直接影响到太阳能的利用效率，并最终影响到该类产品的性价比。与此同此，宽谱广角透明的光学特性也是现有显示、成像等领域光学元件的基本要求。

目前，为了提高该类光学元件的透过率，通常在其上下两个表面镀增透膜。然而，基于相干原理的增透膜只能在(400-800nm)(0-30°)范围内有效，为了进一步提高光学元件在该方面的性能，通常需设计蒸镀70-100层的光学膜，而且光学膜材料不尽唯一。如此复杂的膜系结构不仅使得镀膜本身工艺要求提高，成功率降低(要求每一层材料的厚度和组分均匀性都能严格保持)；即使对于成功蒸镀增透膜的光学元件而言，在野外使用过程中不可避免地也要经受温度、湿度变化甚至机械冲击，由多层不同材料的光学膜蒸镀在该类光学元件上，由于不同材料之间的热膨胀系数、湿度系数以及弹性模量的不同，不可避免地会造成膜层材料折射率、厚度的变化，甚至恶劣地导致部分光学膜脱落，任何一种变化，都会导致基于相干原理的光学膜透过率的下降甚至于彻底破坏，从而极大地影响该类光学元件的透过率。考虑到这些缺点和多层膜在这些应用中的劣势，对于应用于全光谱太阳光的玻璃(或者聚合物)光学元件，通常只是在其表面蒸镀一层MgF，从而获得光学元件的最高透过率不超过96％。

亚波长光栅结构是周期小于入射光波长的表面浮雕光栅结构(如图1所示)，两种介质和相应亚波长光栅结构的折射率分别为n1、n2、n3，光栅周期为Λ，光栅矢量入射光的入射角和光波在真空中的波矢量分别为θ₁和k，发生零级衍射的条件可表示如下：

|n₁ksinθ₁+mG|＞n_ik，i＝1，2，3 and m＝±1，±2，±3，...............(1)

由该式(1)可知，特定波长的入射光发生零级衍射的条件不仅依赖于入射光的入射角，而且取决于材料的折射率和光栅的周期。当光栅的周期足够小时(与入射光的波长相比)，光栅矢量值足够大，使得上述不等式不再依赖于入射光的波矢和入射角的大小，也就是说，在宽波长和大角度范围内都可以使得高阶衍射截止，只有零级衍射发生，即获得好的增透效果。理论表明，基于亚波长结构表面可以实现一个波长数量级范围内(如400-4000nm)和角度(0-80°)范围内的增透效果，完全可以满足各种光学元件对于宽谱广角增透的要求。因此，基于该亚波长减反结构的研究成为近来光学和材料学领域的热点，受到重视。大面积低成本制备亚波长减反结构是实现宽谱广角减反效果的基础。

基于此，采用许多自组装方法以实现宽谱广角减反的亚波长结构，主要包括两个方面，一种办法是在原有基底材料上形成亚波长图形，然后通过蚀刻的方式将原有基底材料制成亚波长结构；另一种办法是在原有基底上蒸镀孔隙材料，以实现折射率渐变。前一种办法可以有效获得宽谱广角减反，且基于同一种材料，不存在由于机械应力或者热失配导致的功能丧失，但是由于需要刻蚀原有基底材料，会造成原有功能破坏(比如：对于高倍聚光的菲尼尔透镜，如果蚀刻其表面，很有可能使其高倍聚光功能得到破坏)；采用另一种方法实现宽谱广角减反不存在对元件原有功能的破坏，但是蒸镀形成多孔介质薄膜，容易含有其他杂质，造成对入射光谱不同程度的吸收，从而影响整个元器件的透过率。因此，采用亚波长减反结构真正有效提高光学元器件的透过率还有待于进一步改进。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的旨在提出一种宽谱广角增透亚波长结构的制备方法，利用氧化铝和氧化钛较宽的禁带宽度，在不破坏器件原有性能的基础上，实现大面积低成本的亚波长结构制备。