专利名称：一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，更具体地说，本发明涉及一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。
背景技术：
衍射光学元件(DOE)是利用光学衍射原理起聚焦、分色、折射、反射及成像等光学作用的光学元件。典型的衍射光学元件的表面分布有微起伏构造，这些微起伏构造使得经过衍射光学元件的入射光的相位发生变化(即，相位调制)，从而获得所需的或指定的输出光分布。衍射光学元件表面上的微起伏对入射光相位的调制量与其厚度或者说调制厚度相关，因此，衍射光学元件设计的一个核心问题是确定其表面各个部位(采样点)处的调制厚度。已有多篇文献研究了衍射光学元件的设计问题，例如可参考1 G. Z. Yang, B. Y. Gu, et al. “ Iterative optimization approach for the design of diffractive phase elements simultaneously implementing several optical functions，” J. Opt. Soc.Am.A Vol. 11，1632-1640 (1994).2Β· Z. Dong,G. Q. Zhang,G. Z. Yang,B. Y. Gu,et al. "Design and fabrication of a diffractive phase element for wavelength demultiplexing and spatial focusing simultaneously, ” Appl. Opt. Vol. 35,6859-6864(1996).3B. Z.Dong, G.Z.Yang, B. Y. Gu, et al. "Diffractive phase elements that implement wavelength demultiplexing and spatial annular focusing simultaneously,，，J. Opt. Soc. Am. A Vol. 14，44-48 (1997).4B. Z. Dong, R. Liu, G. Z. Yang and B. Y. Gu, "Design of diffractive phase elements that generate monochromatic or color point ad ring patterns," J. Opt. Soc. Am. A Vol. 15，480-486(1998).5B. Y. Gu, G. Z. Yang, B. Z. Dong, et al. "Diffractive-phase-element design that implements several optical functions, " Appl. Opt. 34, 2564-2570 (1995).[6]G. Z.Yang, B. Z. Dong, B. Y. Gu, et al. " Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in a nonunitary transform system :a comparison, ” Appl. Opt. 32,209-218(1994).在上面列出的以及其他一些未列出的相关文献中，采用了杨顾算法来求解对入射光的相位调制量或衍射光学元件的调制厚度，并且实现了用同一片衍射光学元件实现对含有多个波长的入射光同时进行分色和聚焦的功能。但是，按照目前的方法设计的衍射光学元件，其衍射效率只有10% -20%，这就限制了衍射光学元件在某些场合的应用。需要注意的是，在这里衍射光学元件的衍射效率是指输出光在聚焦区域内的能量占入射光能量的比重。本申请中涉及的另一个方面是太阳能电池。能源问题是当今世界各国共同关注的重要课题，无污染的太阳能更是各国争相利用的战略资源。太阳能电池则是将太阳能转换为电能的器件。太阳能电池的基本原理是当太阳光照射到太阳能电池中的光伏材料上时，就半导体而言，经过半导体材料吸收后产生光生伏特效应，从而将光能转换成电能。由于不同的半导体材料具有不同的带隙结构，一种半导体只能对其带隙能量所对应波长附近的入射光有较高的光电转换效率。假如能够用不同带隙的半导体去吸收各自带隙能量所对应的波长附近的光将会极大地提高太阳能的光电转化效率。研究还表明如果能够将太阳光聚焦，太阳能的转化效率并不会因光强的增加而变差，反而会有所提高。聚焦的情况下还可以大量节省昂贵的材料，用很小的电池面积去转化更多的光能。针对上述利用太阳能的思想，目前世界上对于太阳能电池主要有两类研究方案， 即串联(又称为“级联”)和并联(又称为“横向”)方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，入射光经过光学系统聚焦后通过各层材料，波长最小的入射光(能量最高)被最上层半导体吸收，随着波长的增加，依次被下层的半导体材料吸收，从而能获得较高的转换效率。这种方案的缺点在于，不同半导体层之间的界面需要通过分子束外延等技术进行生长，想达到精确控制非常困难，材料的选择也有很大的局限性，从而使制造成本变得很高。而并联结构是指对太阳光在聚焦的同时进行分色处理，使不同波长的太阳光聚焦到不同的位置，然后放置上带隙能量与该波长光子能量相近的半导体材料，将会极大地提高太阳能的光电转换效率。目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜(Dichroic mirror)对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。若能将衍射光学元件的厚度控制在一定的范围之内，就可以运用现代光刻技术进行加工和批量复制，使光学系统的成本大大降低；如果衍射光学元件可以实现分色聚焦的功能，那么将会使整个分色聚焦光伏系统的成本得到极大的降低。但是，如前面对衍射光学元件的描述中所述，目前的实现分色聚焦的衍射光学元件的衍射效率只有10% -20%，这样的衍射效率使得对于太阳能的利用来说显然是不利的，这就阻碍了分色聚焦衍射光学元件在太阳能电池中的应用。
发明内容
本发明的一个目的在于优化衍射光学元件的设计，使得衍射光学元件的调制厚度的选择更具灵活性。本发明的另一个目的是在于优化衍射光学元件的设计，以提高衍射光学元件的衍射效率。本发明的再一个目的在于提供一种应用衍射光学元件的太阳能电池。按照本发明的一个方面，提供了一种衍射光学元件的设计方法，用于获得所述衍射光学元件的多个采样点处的设计调制厚度；所述衍射光学元件设置在光学系统的输入平面处，其对包含有多个波长的入射光进行相位调制，以便在输出平面处获得所需的光学分布；对于所述衍射光学元件的每个采样点，所述设计方法包括步骤一对于每一个波长，计算所述衍射光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制厚度；对于所述多个波长，相应地获得多个调制厚度；
步骤二 对于每个调制厚度，获得一系列相互等效的备选调制厚度，所述一系列相互等效的备选调制厚度对应的一系列调制相位相互之间相差2 π的整数倍；步骤三从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定当前采样点的设计调制厚度。在一种实施方式中，可以在步骤一中采样杨顾算法计算所述调制厚度。所述杨顾算法可以包括多次迭代循环运算，每一次迭代循环中，能够得到当前迭代循环中的所述调制厚度。可以对于当前迭代循环中的所述调制厚度执行步骤二和步骤三。可以在杨顾算法的迭代循环结束之后，得到最终的所述调制厚度，对于最终的所述调制厚度执行步骤二和
步骤三。在一种实施方式中，在步骤一中所述调制厚度对应的调制相位小于2 π。在一种实施方式中，在步骤二中，可以根据所述衍射光学元件的加工工艺的限制来约束所述备选调制厚度的最大值。这里，所述加工工艺的限制可以是光刻加工工艺的最大刻蚀深度。在一种实施方式中，在步骤三中，所述挑选的准则可以是使得所挑选出来的多个调制厚度的差别尽可能地小；或者，使得所挑选出来的多个调制厚度与根据所挑选出来的多个调制厚度确定的设计调制厚度相比误差最小。在一种实施方式中，所需的光学分布包括在输出平面上获得将入射光按照波长分色且聚焦的光学分布。在一种实施方式中，所述衍射光学元件的至少一个采样点处的设计调制厚度使得该采样点对于所述多个波长中的任意一个波长的相位调制都大于2 π。在按照本发明的另一方面，提供一种按照前述方法设计的衍射光学元件。所述衍射光学元件可以用光刻方法制成。这里的光刻方法例如可以是直接用光刻技术制成，可以是通过现代光刻技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产。按照本发明的又一个方面，提供了一种衍射光学元件，其设置在光学系统的输入平面处，用于对包含有多个波长的入射光进行相位调制，以便在输出平面处获得所需的光学分布；其中，所述衍射光学元件的至少一个采样点处的设计调制厚度使得该采样点对于所述多个波长中的任意一个波长的相位调制都大于2 π。在一种实施方式中，所需的光学分布包括在输出平面上获得将入射光按照波长分色且聚焦的光学分布。在一种实施方式中，所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。这里的光刻方法例如可以是直接用光刻技术制成，可以是通过现代光刻技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产。按照本发明的再一个方面，提供了一种太阳能电池，包括单片衍射光学元件，用于将太阳光按照选定的多个波长分色且聚焦到一输出面上；与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。在一种实施方式中，所述太阳能电池的所述单片衍射光学元件为前述的任意一种衍射光学元件。
本发明具有如下有益效果1)在本发明的衍射光学元件及其设计方法中，突破了现有技术中对调制厚度/调制相位的限制，使得衍射光学元件的调制厚度有更大的选择范围，从而提高了选择衍射光学元件的调制厚度的灵活性。2)由于按照本发明的衍射光学元件的调制厚度有更大的选择范围，可根据实际需要任意控制，使得衍射光学元件的厚度控制在一定的范围之内，这样就便于通过现代光刻技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产，因而成本大大降低。3)由于按照本发明的衍射光学元件的调制厚度有更大的选择范围，而且，在扩展后的选择范围中，能够找到比现有技术更优的设计调制厚度，从而能够极大提升衍射光学元件的衍射效率。按照本发明设计的同时进行分色和聚焦的衍射光学元件的理论衍射效率超过了 79%。4)由于按照本发明的衍射光学元件能够极大地提升衍射光学元件的衍射效率，这使得分色聚焦衍射光学元件在太阳能电池中的应用有了实际意义。再结合之前所述的能够通过现代光刻技术大批量生产，这为太阳能利用提供一种高效和廉价的途径。
图1示出了一种示意性的光学系统，其中，衍射光学元件对入射光同时实现分色和聚焦功能；图2示出了按照杨顾算法计算衍射光学元件的设计调制厚度的算法示意图，其中使用了按照本发明的厚度优化算法；图3示出了按照本发明的厚度优化算法的流程示意图；图4示出了一种太阳能电池的简化示意图。
具体实施例方式桉照本发明的衍射光学元件的设计思想如图1所示的示意性光学系统，含有多个波长λ α的入射光从输入平面P1传播到输出平面P2,其中，α = 1，2，3，...，Νλ，Νλ表示不同波长的数量，在图1中Νλ示例性地等于3。衍射光学元件1附着在输入平面P1I，用于对入射光进行相位调制，以便在输出平面 P2上获得将多个波长的光分色并且聚焦的输出光。在图1中，λ 3所在位置分别表示对应波长的光在输出平面P2上的聚焦位置或区域。对于波长λ α来说，其入射光经衍射光学元件1调制后在输入平面P1上的的输入波函数用仏。表示，其在输出平面P2上的输出波函数用表示。波函数通常是复函数，因此，Ula和U2a分别可以表示为Ula = P 1αθχρ[ Φ1α](1)U2a = Ρ2αθχΡ[ Φ2α](2)其中，Pla和Φ1α分别是输入波函数Ra的振幅和相位，P2a和Φ2α分别是输出波函数^a的振幅和相位。输出波函数U2a与输入波函数Ra之间的关系可以表示为U2a=GaUia(3)
其中，算符表示光从输入平面到输出平面的传输算符。例如，当输入平面和输出平面之间是自由空间时，则代表光的自由传播作用；当输入平面和输出平面之间有其他的光学元件时，则也包含了这些光学元件的光学作用。在用衍射光学元件对已知的入射光进行相位调制以获得所要求的输出光的场合中，输入波函数Ula的振幅P1和输出波函数U2a的振幅P2可以认为是已知的。对于确定的光学系统，传输算符也是已知的。因此，对于这种场合，衍射光学元件DOE的设计实际上就是如何在PpPjPC^已知的情况下，求解Ula的相位Φ1α。当我们假设入射光在经衍射光学元件调制之前具有相同的相位时，相位Φ1α则代表了衍射光学元件的调制相位，从而可以计算出衍射光学元件的调制厚度。为了求解Φ1α，在杨顾算法中引入一个距离量D，其定义为D2=IlUL-GaUlaII2(4)其中，Il ... Il表示求复数的模，UL =Pla εχρΟΦ2α)，PL表示输出平面上的目标振幅。对于公式0)，要求δΦ1α 2 = 0禾口 δΦ2α 2 = 0时，则可以得到02a=arg[Gapiaexp [ Φ1α]( 5 )Φ1α= arg{ A^ [ G p\a exp (/Φ2α) -i柳 Pi exP (沛1 ) ])(6)其中，是( 和良的乘积，( 代表的共轭转置；表示矩阵足中由对角元组成的矩阵；表示矩阵中由非对角元组成的矩阵；arg表示求复数的辐角，这里也就是求得复振幅的相位。公式( 和(6)通过数值迭代运算，则可求得调制相位Φ1α。根据衍射光学元件的调制相位与调制厚度之间的关系Φ1α = 2ji (na-l)hla/A a(7)则可根据所求得的调制相位Φ1α获得调制厚度hla，其中na为衍射光学元件在波长为λ α时的折射率。这样，通过上面的计算，对于扎个不同波长中的每一个波长λ α，都可以求得一个
对应的调制厚度hla。在实际的衍射光学元件设计中，为了计算的方便，在衍射光学元件上设置多个采样点，针对每个采样点来计算其调制厚度hla。这样，针对具体的一个采样点，可以获得对应 Νλ 个波长的 Na 个 hla，a = 1，2，3，...，Νλ。很明显的是，对于最终设计而成的衍射光学元件，对于每个采样点只能有一个厚度。因此，需要根据所获得的Νλ个调制厚度hla来确定一个最终的设计调制厚度hp显然， 希望最终的设计调制厚度Ii1总体上与每个调制厚度hla都比较接近。通常是取计算得到的 Νλ个调制厚度hla的中间值或者平均值来作为最终的设计调制厚度hp需要指出的是，上述方法基本上是描述了现有技术中的一种利用杨顾算法来获得衍射光学元件的设计调制厚度的方法。但是，如背景技术中所述，通过这样的方法获得的衍射光学元件来对多波长入射光进行分色和聚焦时，虽然能获得很高的信噪比，但是总体的衍射效率很低，只能达到 10% -20%。
本申请的发明人发现，造成衍射效率较低的至少一个原因是因为现有技术中由Νλ 个调制厚度hla来确定的最终设计调制厚度Ii1不够理想。在实际的数值计算过程中，在处理公式(6)时，arg运算将使得Φ1α的取值范围为0彡Φ1α < ，根据公式(7)可知，这等价于使得调制厚度hla的范围被约束为0彡hla < λα/(ηα-1)。实际上，当φ1α的取值之间相差的整数倍时，SP，Φ1α，= Φ1α+2Κπ (K = 0，l，2，3，...)，等价于当调制厚度取值为下面各值时，hla，=hla+KAhla，其中 K = 0，l，2，3，···，Ahla = λα/(ηα_1) (8)它们对入射光的相位调制是等效的。本发明人还发现，当将公式⑶列出的一系列等效调制厚度都作为hla的备选调制厚度时，将有可能获得更理想的设计调制厚度hp以一个简单的包含两种不同波长A1 和λ2的入射光为例来说明，对于衍射光学元件的某个采样点，采用现有技术的方法时，波长A1对应的调制厚度为hn，波长λ2对应的调制厚度为h12，且hn<h12，则最终的设计调制厚度可以为这两个调制厚度的平均值Ii1 = Qi1Jh12)/2，hn和h12与Ill之间分别相差 (h12_hn)/2。当波长A1^P λ 2对应的调制厚度选择为等效的调制厚度hn’= (hn+mAhn), h12，= (h12+nAh12), m, η = 0,1,2,3,...时，最终的设计调制厚度则类似地可以为h/ = (hn+mAhn+hu+nAhd/^hn，和 h12，与 h/ 之间分别相差 | h12-hn-m Δ hn+n Δ h121/2，而这个差异在某些情况下会比之前的(h12_hn)/2更小，这说明所选取的设计调制厚度h/更接近于针对波长入工和入2的调制厚度}111’和1!12’，因此111’比111更理想。这也适用于入射光含有更多个波长的情况。因此，在本发明中，对于某一个采样点，其对于波长λ α的调制厚度hla ’可以取如公式(8)所示的一系列备选值，以期在这些备选值中选择合适的调制厚度来获得该采样点的最终设计调制厚度。这在本发明中可以称为“厚度优化算法”。本发日月的衍射光学元件的设i十方法的jy本示例图2示出了按照本发明计算衍射光学元件的调制厚度的迭代计算过程的一个具体示例。如图2所示，在步骤201中，对衍射光学元件上各个采样点的设计调制厚度赋初始值。为了方便描述迭代过程，采用h(m’n)来标识某个采样点的设计调制厚度，上标(m，n)分别代表迭代运算过程中外循环和内循环的迭代次数或标记，这在下面的描述中将会清楚。 当衍射光学元件上设置了 N1个采样点时，则需要针对N1个采样点的设计调制厚度Ill分别设置初始厚度Ii1U。在步骤202中，根据公式(7)获得该当前的设计调制厚度h/m’n)针对不同的波长 λ a所对应的调制相位Φ1α(ηι’η)，其中α = 1，2，3，...，Νλ，Νλ表示不同波长的数量。在步骤203中，根据公式( 获得输出平面上的各采样点的针对不同波长λ α的
相位Φ2αω。在步骤204中，根据当前的Φ1α(ηι’η)判断公式(9)是否成立外循环迭代次数m是否达到预先设定的最大值mMX，SSE 彡 S1(9)其中，SSE=Z( 11 Gapiaexp [ Φια( η'η)]丨丨 _/4)2, ε i 是一个预设的微小量，“ Il Il ”表示求复数的模，j用于表示衍射光学元件上不同的采样点，求和符号表示对j 从1到N1对所有的采样点进行求和。如公式(9)成立或外循环迭代次数m达到预先设定的最大值mMX，则进行步骤205， 否则，则进行步骤206。在步骤206中，根据当前的Φ1α(ηι’η)和Φ2αω利用公式(6)计算出下一个迭代值 Φ1α(ηι·η+1)ο需要注意的是，此时的调制相位Φ1α 0l^n+1)的取值范围为O彡φ1α <2π。在步骤207中，根据Φ1α(ηι’η+1)和Φ1α(ηι’η)判断公式(10)是否成立或者内循环迭代次数η是否达到预先设定的最大值ηΜΧ，
权利要求
1.一种衍射光学元件的设计方法，用于获得所述衍射光学元件的多个采样点处的设计调制厚度OO ；所述衍射光学元件设置在光学系统的输入平面(P1)处，其对包含有多个波长(λ α，α = 1 Νλ)的入射光进行相位调制，以便在输出平面(P2)处获得所需的光学分布；对于所述衍射光学元件的每个采样点，所述设计方法包括步骤一对于每一个波长(λ α)，计算所述衍射光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制厚度Oi1 α)；对于所述多个波长，相应地获得多个调制厚度(hla，α = 1 Νλ)；步骤二 对于每个调制厚度(hla)，获得一系列相互等效的备选调制厚度QllZKAh1 a， K = 0,1,2,3,...)，所述一系列相互等效的备选调制厚度对应的一系列调制相位 (Φ1α+2Κπ，Κ = 0，1，2，3，...)相互之间相差2 π的整数倍；步骤三从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定当前采样点的设计调制厚度Oi1)。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，在步骤一中，采样杨顾算法计算所述调制厚度(hla)。
3.根据权利要求2所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述杨顾算法包括多次迭代循环运算，每一次迭代循环中，能够得到当前迭代循环中的所述调制厚度(hla(m’ n))。
4.根据权利要求2所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，对于当前迭代循环中的所述调制厚度(hla(m’n))执行步骤二和步骤三。
5.根据权利要求3或4所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，在杨顾算法的迭代循环结束之后，能够得到最终的所述调制厚度Oi1 a (m’ n))，对于最终的所述调制厚度 (hla(m'n))执行步骤二和步骤三。
6.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，在步骤一中，所述调制厚度对应的调制相位(Φ1α)小于。
7.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，在步骤二中，根据所述衍射光学元件的加工工艺的限制来约束所述备选调制厚度的最大值。
8.根据权利要求7所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述加工工艺的限制是光刻加工工艺的最大刻蚀深度。
9.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，在步骤三中，所述挑选的准则是使得所挑选出来的多个调制厚度的差别尽可能地小；或者，使得所挑选出来的多个调制厚度与根据所挑选出来的多个调制厚度确定的设计调制厚度相比误差最小。
10.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所需的光学分布包括在输出平面上获得将入射光按照波长分色且聚焦的光学分布。
11.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述衍射光学元件的至少一个采样点处的设计调制厚度Ql1)使得该采样点对于所述多个波长中的任意一个波长的相位调制都大于2 π。
12.一种按照权利要求1-11中任一项所述的方法设计的衍射光学元件。
13.根据权利要求12所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。
14.一种衍射光学元件，其设置在光学系统的输入平面(P1)处，用于对包含有多个波长 (λ α，α = 1 NJ的入射光进行相位调制，以便在输出平面(P2)处获得所需的光学分布；其特征在于，所述衍射光学元件的至少一个采样点处的设计调制厚度Oi1)使得该采样点对于所述多个波长中的任意一个波长的相位调制都大于2 π。
15.根据权利要求14所述的衍射光学元件，其特征在于，所需的光学分布包括在输出平面上获得将入射光按照波长分色且聚焦的光学分布。
16.根据权利要求14所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。
17.一种太阳能电池，包括单片衍射光学元件，用于将太阳光按照选定的多个波长(λ α，α = 1 Νλ)分色且聚焦到一输出面上；与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。
18.根据权利要求17所述的太阳能电池，其特征在于，所述单片衍射光学元件为权利要求12-16中任一项所述的衍射光学元件。
全文摘要
本发明公开了一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。本发明的衍射光学元件的采样点的设计调制厚度的设计包括对于每一个波长计算当前采样点处的调制厚度；对于每个调制厚度获得一系列相互等效的备选调制厚度，它们对应的调制相位相互之间相差2π的整数倍；从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度来确定当前采样点的设计调制厚度。在一种实施方式中，该设计方法是在杨顾算法中引入了本发明的厚度优化算法。本发明突破了现有技术中对调制厚度/调制相位的限制并提高了衍射效率，且便于通过现代光刻技术大批量生产，成本大大降低。本发明的衍射光学元件还可应用于太阳能电池中，这为太阳能利用提供一种高效和廉价的途径。
文档编号H01L31/0232GK102375171SQ201110351978
公开日2012年3月14日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者叶佳声, 孟庆波, 张岩, 杨国桢, 王进泽, 董碧珍, 黄庆礼 申请人:中国科学院物理研究所