無序子結構光柵及通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了無序子結構光柵,包括多個一維無序子結構長周期光柵,一維無序子結構長周期光柵包括沿X軸周期排列的周期單元,周期單元包括若干個周期子單元,周期子單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構,同一一維無序子結構長周期光柵的各個周期單元結構相同,各個一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列獲得二維無序子結構長周期光柵。本發(fā)明還可公開了通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,本發(fā)明將有序結構和無序結構融合在一起,在繼承有序結構優(yōu)點的同時,獲得無序結構在帶寬和角度等方面更強的操控能力,在300~1000nm的大帶寬范圍內陷光效果比其他無序結構提高了近100%,可以接近Lambertian極限的寬譜光陷獲。
【專利說明】
無序子結構光柵及通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及光柵設計技術領域,具體涉及無序子結構光柵,還涉及通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法。適用于光譜學、集成光電器件、通信、傳感、液晶面板、太陽能電池和原子能等方面。
【背景技術】
[0002]表面光學結構如光柵、光子晶體以及其它有序和無序的光學結構等可以調節(jié)入射光和反射光的帶寬、偏振、角度和諧振等方面的性能,從而實現(xiàn)光耦合、光脈沖整形、光濾波、光柵反射器、光抗反射器、光吸收器和光諧振器等功能,在光譜學、集成光電器件、通信、傳感、液晶面板、太陽能電池和原子能等方面具有廣泛應用。
[0003]表面光學結構從呈現(xiàn)的外在特征來看有三種類型:第一種是有序結構周期性排列而成,如光柵和光子晶體等;第二種是隨機無序的表面結構;第三種是結合整體有序和局部無序的混合結構,即無序子結構的長周期光柵。有序結構設計容易,制作工藝也相對成熟,但是存在角度譜和帶寬有限等問題。無序結構可以改善角度譜和帶寬上的性能,但是無序結構通常是在材料沉淀生長和圖形刻蝕等制造過程中因工藝誤差較大隨機得到的,對于具體怎樣設計無序結構,設計什么樣的無序結構還需進一步研究,難于通過系統(tǒng)的方法設計,造成其應用受限。
[0004]所以我們提出了一種利用隨機函數(shù)三次,在有序長周期結構中引入紊亂的無序子結構組合成混合表面結構的設計方法。該方法能繼承有序結構優(yōu)點的同時,獲得無序結構在帶寬和角度等方面更強的操控能力。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的上述問題,提供無序子結構光柵,還提供了通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,本發(fā)明利用隨機函數(shù)和編碼的方法解決了如何系統(tǒng)的設計無序子結構長周期光柵。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn):
無序子結構光柵,包括多個一維無序子結構長周期光柵,一維無序子結構長周期光柵包括沿X軸周期排列的周期單元,周期單元包括若干個周期子單元,周期子單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構,同一一維無序子結構長周期光柵的各個周期單元結構相同,各個一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列獲得二維無序子結構長周期光柵,二維無序子結構長周期光柵設置在光柵基質上。
[0007]如上所述的周期子單元中的子結構選自備選子結構,備選子結構中的子結構種類比周期子單元的子結構種類多I?3種。
[0008]如上所述的一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于I,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0009]如上所述的光柵基質為非晶硅基質。
[0010]通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,包括如下步驟:
步驟1、設計子結構集合,子結構集合內的子結構形狀各異;在子結構集合中選取M個子結構作為備選子結構,M大于I ;
步驟2、設計一維無序子結構長周期光柵,即沿X軸方向的一維無序子結構長周期光柵,具體為:
步驟2.1、利用隨機函數(shù)在備選子結構中選取W組子結構單元,W大于1,每組子結構單元包括N個子結構,每組子結構單元中的子結構的編號分別標記為O?N-1,胃組子結構單元的編號分別標記為O?W-1 ;
步驟2.2、利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的N個子結構所對應的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構編號順序,將每組子結構單元的N個子結構按照對應的子結構編號順序進行依次排列獲得每組子結構單元對應的周期子單元,利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構單元編號順序,按照子結構單元編號順序對子結構單元對應的周期子單元進行排列得到周期單元,即得到一維無序子結構長周期光柵的一個周期單元;
步驟2.3、將步驟2.2獲得的周期單元沿一維方向,S卩X軸方向進行周期排列,得到一維無序子結構期光柵;
步驟3、將一維無序子結構長周期光柵沿Y軸進行排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0011]如上所述的步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于I,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0012]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果:
1、本發(fā)明利用隨機函數(shù)將有序結構和無序結構融合在一起,是一種系統(tǒng)的設計無序子結構長周期光柵的方法。
[0013]2、無序子結構長周期光柵能繼承有序結構優(yōu)點的同時,獲得無序結構在帶寬和角度等方面更強的操控能力,在300?100nm的大帶寬范圍內陷光效果比【背景技術】中涉及的無序結構提高了近100%,可以接近Lambertian極限的寬譜光陷獲。
【附圖說明】
[0014]圖1是實施例2從子結構集合中選取5個子結構作為備選子結構的示意圖。
[0015]圖2是實施例2中從備選子結構中選取3組子結構單元,(a)為第一組子結構單元;(b)為第二組子結構單元;(C)為第三組子結構單元。
[0016]圖3是實施例3將每組子結構單元中的4個子結構進行隨機排序示意圖,(a)為第一組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖;(b)為第二組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖;(C)為第三組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖。
[0017]圖4是實施例2中將3組子結構單元進行隨機排序得到周期單元。
[0018]圖5是實施例2中的一維無序子結構長周期光柵的結構示意圖。
[0019]圖6是實施例3從子結構集合中選取5個子結構作為備選子結構的示意圖。
[0020]圖7是實施例3中從備選子結構中選取3組子結構單元,(a)為第一組子結構單元;(b)為第二組子結構單元;(C)為第三組子結構單元。
[0021]圖8實施例3將每組子結構單元中的4個子結構進行隨機排序示意圖,(a)為第一組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖;(b)為第二組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖;(C)為第三組子結構單元的4個子結構進行隨機排序示意圖。
[0022]圖9實施例3中將3組子結構單元進行隨機排序得到周期單元,(a)為第一組子結構單元的對應的周期單元的示意圖;(b)為第二組子結構單元的的周期單元的示意圖;(C)為第三組子結構單元的周期單元的示意圖。
[0023]圖10實施例3中的一維無序子結構長周期光柵的結構示意圖。
[0024]在圖中,數(shù)字均為編號,并不代表部件的數(shù)字標記。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖對本發(fā)明的技術方案進一步詳細說明:
實施例1:
無序子結構光柵,包括多個一維無序子結構長周期光柵,一維無序子結構長周期光柵包括沿X軸周期排列的周期單元,周期單元包括若干個周期子單元,周期子單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構,同一一維無序子結構長周期光柵的各個周期單元結構相同,各個一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列獲得二維無序子結構長周期光柵,二維無序子結構長周期光柵設置在光柵基質上。
[0026]優(yōu)選的,周期子單元中的子結構選自備選子結構,備選子結構中的子結構種類比周期子單元的子結構種類多I?3種。
[0027]優(yōu)選的,一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于I,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0028]優(yōu)選的,光柵基質為非晶硅基質。
[0029]通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,包括如下步驟:
步驟1、設計子結構集合,子結構集合內的子結構形狀各異;在子結構集合中選取M個子結構作為備選子結構,M大于I ;
步驟2、設計一維無序子結構長周期光柵,即沿X軸方向的一維無序子結構長周期光柵,具體為:
步驟2.1、利用隨機函數(shù)在備選子結構中選取W組子結構單元,W大于1,每組子結構單元包括N個子結構,每組子結構單元中的子結構的編號分別標記為O?N-1,胃組子結構單元的編號分別標記為O?W-1 ;
步驟2.2、利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的N個子結構所對應的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構編號順序,將每組子結構單元的N個子結構按照對應的子結構編號順序進行依次排列獲得每組子結構單元對應的周期子單元,利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構單元編號順序,按照子結構單元編號順序對子結構單元對應的周期子單元進行排列得到周期單元,即得到一維無序子結構長周期光柵的一個周期單元; 步驟2.3、將步驟2.2獲得的周期單元沿一維方向,S卩X軸方向進行周期排列,得到一維無序子結構期光柵;
步驟3、將一維無序子結構長周期光柵沿Y軸進行排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0030]優(yōu)選的,步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于I,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0031]實施例2:
如圖1?5,在本實施例的無序子結構光柵中,一維無序子結構長周期光柵中的一個周期單元的包括三個周期子單元:
第一個周期子單元中的子結構依次為方形子結構、三角形子結構、第二 U形槽子結構、第一 U形槽子結構;
第二個周期子單元中的子結構依次為第一 U形槽子結構、三角形子結構、第三U形槽子結構、第二 U形槽子結構;
第三個周期子單元中的子結構依次為方形子結構、第三U形槽子結構、第一 U形槽子結構和第二 U形槽子結構。
[0032]第一U形槽子結構的槽口朝上、第二 U形槽子結構的槽口朝下、第三U形槽子結構槽口朝右。
[0033]一維無序子結構長周期光柵為I種,單個一維無序子結構長周期光柵即構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0034]其他與實施例1相同。
[0035]在本實施例的通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法中:
步驟I中的備選子結構中的子結構包括方形子結構、三角形子結構、第一 U形槽子結構、第二 U形槽子結構、第三U形槽子結構。第一 U形槽子結構的槽口朝上、第二 U形槽子結構的槽口朝下、第三U形槽子結構槽口朝右。
[0036]—維無序子結構長周期光柵為I種,一維無序子結構長周期光柵中的周期單元包括3個周期子單元:
如圖2所示,步驟2.1中,從備選子結構中選的4個子結構作為編號為O的第一組子結構單元,第一組子結構單元中編號O?4的子結構分別為三角形子結構、第一 U形槽子結構、第二 U形槽子結構、第三U形槽子結構;
從備選子結構中選的4個子結構作為編號為I的第二組子結構單元,第二組子結構單元中編號O?4的子結構分別為方形子結構、三角形子結構、第一 U形槽子結構、第二 U形槽子結構;
從備選子結構中選的4個子結構作為編號為2的第三組子結構單元,第三組子結構單元中編號O?4的子結構分別為第一 U形槽結構、第二 U形槽子結構、第三U形槽子結構、方形子結構。
[0037]如圖3所示,步驟2.2中,第一組子結構單元中的子結構通過隨機排序后的子結構編號為1、0、3、2,第一組子結構單元對應的周期子單元中的子結構順序依次為第一 U形槽子結構、三角子結構、第三U形槽子結構、第二 U形槽子結構; 第二組子結構單元中的子結構通過隨機排序后的子結構編號為0、1、3、2,第二組子結構單元對應的周期子單元中的子結構順序依次為方形子結構、三角形子結構、第二 U形槽子結構、第一 U形槽子結構;
第三組子結構單元中的子結構通過隨機排序后的子結構編號為3、2、0、1,第三組子結構單元對應的周期子單元中的子結構順序依次為方形子結構、第三U形槽子結構、第一 U形槽子結構、第二 U形槽子結構。
[0038]如圖4所示,步驟2.2中,第一組子結構單元、第二組子結構單元、第三組子結構單元通過隨機函數(shù)排序后為第二組子結構單元、第一組子結構單元、第三組子結構單元,隨機排序后的子結構單元對應的周期子單元構成一維無序子結構長周期光柵的周期單元。
[0039]一維無序子結構長周期光柵為I種,單個一維無序子結構長周期光柵即構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
[0040]其他與實施例1一致。
[0041 ] 實施例3:
本實施例中的無序子結構光柵,一維無序子結構長周期光柵為3種,3種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。一維無序子結構長周期光柵包括沿X軸周期排列的周期單元,每個周期單元包括3個周期子單元,每個周期子單元包括沿X軸排列的各不相同的4個子結構,同一一維無序子結構長周期光柵的各個周期單元結構相同,各個一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列獲得二維無序子結構長周期光柵,二維無序子結構長周期光柵設置在光柵基質上。
[0042]記3種一維無序子結構長周期光柵分別為第一一維無序子結構長周期光柵、第二一維無序子結構長周期光柵、第三一維無序子結構長周期光柵。
[0043]記第一一維無序子結構長周期光柵的周期單元的依次排列的3個周期子單元分別為第一周期子單元A、第二周期子單元A和第三周期子單元A。
[0044]記第二一維無序子結構長周期光柵的周期單元的依次排列的3個周期子單元分別為第一周期子單元B、第二周期子單元B和第三周期子單元B。
[0045]記第三一維無序子結構長周期光柵的周期單元的依次排列的3個周期子單元分別為第一周期子單元C、第二周期子單元C和第三周期子單元C。
[0046]第一周期子單元A中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構和第一 U形槽子結構。
[0047]第二周期子單元A中依次排列的子結構為第三U形槽子結構、第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構。
[0048]第三周期子單元A中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、第一 U形槽子結構、第三U形槽子結構。
[0049]第一周期子單元B中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、第一 U形槽子結構、第三U形槽子結構。
[0050]第二周期子單元B中依次排列的子結構為第三U形槽子結構、第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構。
[0051]第三周期子單元B中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構、第一 U形槽子結構。
[0052]第一周期子單元C中依次排列的子結構為第三U形槽子結構、第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構。
[0053]第二周期子單元C中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、第一 U形槽子結構、第三U形槽子結構。
[0054]第三周期子單元C中依次排列的子結構為第二U形槽子結構、三角形子結構、方形子結構、第一 U形槽子結構。
[0055]第一U形槽子結構的槽口朝上、第二 U形槽子結構的槽口朝下、第三U形槽子結構槽口朝右。
[0056]其他與實施例1一致。
[0057]在本實施例的通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法中,首先,設計M=5的體積大小、結構各異的備選子結構如附圖6所示。其次,利用隨機函數(shù)從5個備選子結構中每次取N=4個子結構,選取W=3次,即得到3組且每組有4個子結構的子結構單元,把每組的4個子結構單元編號為O到3如附圖7所示。第三,利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的子結構編號進行隨機排序,也就得到每組4個子結構的放置順序,并且以這4個子結構形成的整體為無序子結構的一個周期子單元如附圖8所示。第四,因為先前取了3次,所以就有3個周期子單元,利用隨機函數(shù)將這3個周期子單元進行隨機排序得到無序子結構(即周期單元),根據(jù)實施例中的方法,一維無序子結構長周期光柵中的三種無序子結構(即周期單元)如附圖9所示。最后,將無序子結構1(即第一種一維無序子結構長周期光柵的周期單元,記第一周期單元)在第一行進行周期性擴展,無序子結構2(即第二種一維無序子結構長周期光柵的周期單元,記第二周期單元)在第二行進行周期性擴展,無序子結構3(即第三種一維無序子結構長周期光柵的周期單元,記第三周期單元)在第三行進行周期性擴展,再將無序子結構I在第四行進行周期性擴展,無序子結構2在第五行進行周期性擴展,無序子結構3在第六行進行周期性擴展…,從而在x-y平面內得到無序子結構長周期光柵如附圖10所示。
[0058]其他與實施例1一致。
[0059]在帶寬和角度等方面更強的操控能力,在300?100nm的大帶寬范圍內陷光效果比其他無序結構提高了近100%,可以接近Lambertian極限的寬譜光陷獲。
[0060]綜上所述本發(fā)明的優(yōu)點在于:利用編碼和隨機函數(shù),在有序長周期結構中引入紊亂的無序子結構組合成混合表面結構,該方法能繼承有序結構優(yōu)點的同時,獲得無序結構在帶寬和角度等方面更強的操控能力,形成了一種新型的較為系統(tǒng)的設計含無序子結構的長周期光柵的方法。
[0061]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代,但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1.無序子結構光柵,其特征在于,包括多個一維無序子結構長周期光柵,一維無序子結構長周期光柵包括沿X軸周期排列的周期單元,周期單元包括若干個周期子單元,周期子單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構,同一一維無序子結構長周期光柵的各個周期單元結構相同,各個一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列獲得二維無序子結構長周期光柵,二維無序子結構長周期光柵設置在光柵基質上。2.根據(jù)權利要求1所述的無序子結構光柵,其特征在于,所述的周期子單元中的子結構選自備選子結構,備選子結構中的子結構種類比周期子單元的子結構種類多I?3種。3.根據(jù)權利要求1所述的無序子結構光柵,其特征在于,所述的一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于I,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。4.根據(jù)權利要求1?3所述的任意無序子結構光柵,其特征在于,所述的光柵基質為非晶娃基質。5.通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟1、設計子結構集合,子結構集合內的子結構形狀各異;在子結構集合中選取M個子結構作為備選子結構,M大于I ; 步驟2、設計一維無序子結構長周期光柵,即沿X軸方向的一維無序子結構長周期光柵,具體為: 步驟2.1、利用隨機函數(shù)在備選子結構中選取W組子結構單元,W大于I,每組子結構單元包括N個子結構,每組子結構單元中的子結構的編號分別標記為O?N-1,胃組子結構單元的編號分別標記為O?W-1 ; 步驟2.2、利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的N個子結構所對應的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構編號順序,將每組子結構單元的N個子結構按照對應的子結構編號順序進行依次排列獲得每組子結構單元對應的周期子單元,利用隨機函數(shù)將每組子結構單元的編號進行隨機排序,得到隨機排序的子結構單元編號順序,按照子結構單元編號順序對子結構單元對應的周期子單元進行排列得到周期單元,即得到一維無序子結構長周期光柵的一個周期單元; 步驟2.3、將步驟2.2獲得的周期單元沿一維方向,S卩X軸方向進行周期排列,得到一維無序子結構期光柵; 步驟3、將一維無序子結構長周期光柵沿Y軸進行排列獲得二維無序子結構長周期光柵。6.根據(jù)權利要求5所述的通過三次隨機函數(shù)設計光柵的方法,其特征在于,步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為Q種,Q大于等于1,Q種一維無序子結構長周期光柵沿Y軸排列構成Y軸方向光柵周期單元,Y軸方向光柵周期單元沿Y軸周期排列獲得二維無序子結構長周期光柵。
【文檔編號】G02B27/00GK106019439SQ201610541989
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】侯金, 洪衛(wèi), 王文珍, 楊春勇, 陳少平
【申請人】中南民族大學