一种无序子结构长周期光栅及设计方法与流程

本发明涉及光栅设计技术领域，具体涉及一种无序子结构长周期光栅，还涉及一种无序子结构长周期光栅的设计方法。适用于光谱学、集成光电器件、通信、传感、液晶面板、太阳能电池和原子能等方面。

背景技术：

表面光学结构如光栅、光子晶体以及其它有序和无序的光学结构等可以调节入射光、反射光和衍射光的带宽、偏振、角度和谐振等方面的性能，从而实现光耦合、光脉冲整形、光滤波、光栅反射器、光抗反射器、光吸收器和光谐振器等功能，在光谱学、集成光电器件、通信、传感、液晶面板、太阳能电池和原子能等方面具有广泛应用。

表面光学结构从外在特征来看可分为三类：第一类由有序结构周期性排列而成，如光栅和光子晶体等；第二类是随机无序的表面结构；第三种是结合整体有序和局部无序的混合结构，即无序子结构的长周期光栅。有序周期结构设计容易且制作工艺相对成熟，但存在角度谱和带宽有限等问题。无序结构由于结构的复杂性和随机性，散射的角度和光谱频率范围通常都较大，但无序结构不仅具体光调控机理尚不明确，还在如何设计无序结构，设计什么样的无序结构，怎样有效的精准按照设计制作等方面均存在较大困难。混合结构则有望在保持周期有序结构优点的同时，获得无序结构在带宽和角度等方面更强的操控能力，从而同时具有这两者的优点。

然而，在目前设计混合结构的方法中，设计无序子结构时常常需要首先设计或选定出具有特定限制的多个基本单元，然后利用这些结构的出现随机性组成。这样的混合结构设计过程比较复杂，设计难度也很高。所以，截止到目前仍没有一套简单实用且行之有效的设计方法。本申请提出了只以一种（或少数几种）基本单元为基础，通过随机旋转变换成为多个子结构单元，再由这些子结构单元组成具有局部无序性的长周期光栅的设计方法。可见，本申请所述的设计方法中无序子结构均可由一种（或少数几种）基本单元旋转变换得到，相比较而言，本申请中的设计方法更为方便实用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种无序子结构长周期光栅，还提供一种无序子结构长周期光栅的设计方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种无序子结构长周期光栅，包括阵列排布在基体上的无序子结构长周期；

无序子结构长周期由子结构单元阵列排布构成，

子结构单元为按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中选定的旋转角度进行旋转后的基本单元，

基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，角度α为基本单元的最小对称旋转角，0<α<2π，

旋转方向包括顺时针和逆时针方向，

旋转角度集合中的旋转角度为θi，θi∈{θ1～θn}，0≤θi<α，n为正整数。

如上所述的无序子结构长周期由子结构单元以正方阵列排布构成或者无序子结构长周期由子结构单元以菱形阵列排布构成。

一种无序子结构长周期光栅的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、选定基本单元：

选取一个或多个基本单元，基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，具有旋转对称性，角度α为基本单元的最小对称旋转角，0<α<2π，若选取多个基本单元，各个基本单元的厚度一致，且各个基本单元的旋转外径相同；

步骤二、设定旋转变换参数：

旋转方向包括顺时针旋转或逆时针旋转；

旋转角度集合包括n个旋转角度θ1～θn，θi∈{θ1～θn}，0≤θi<α，α为最小对称旋转角，n为正整数；

步骤三、设定无序子结构长周期：

子结构单元以正方阵列排布构成无序子结构长周期或者子结构单元以菱形阵列排布（即两方向夹角为60°的方向阵列）构成无序子结构长周期；

子结构单元由基本单元按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中随机选择的旋转角度θi进行旋转后获得；

步骤四、无序子结构长周期在基体上阵列排布得到无序子结构长周期光栅。

在本发明中，无序结构长周期光栅介于完全无序结构与周期结构之间，是具有无序特征的结构，其本质还是长周期光栅，周期较短（长周期中子结构单元数目较少）时，周期性体现较大，当周期较长时（长周期中子结构单元的数目较多时），越接近无序。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

利用基本单元通过随机旋转（或对称）变换后的无序性，将其引入到有序长周期结构中组合成混合表面结构。能继承有序结构优点的同时，在带宽和角度等方面有更强的控制能力。而且相较于其他设计混合表面结构的方法，本发明中无序子结构是由一种（或少数几种）基本单元旋转变换得到，因此更为方便实用。

附图说明

图1为实施例3中的基本单元；

图2为实施例3中的子结构单元的阵列排布方式；

图3为实施例3中的无序子结构长周期的结构示意图；

图4为实施例3中的无序子结构长周期的阵列排布示意图；

图5（a）为实施例4中的的基本单元的结构示意图；

图5（b）为实施例4中的的基本单元的外轮廓构成方式示意图；

图6为实施例4中的子结构单元的阵列排布方式；

图7为实施例4中的无序子结构长周期的结构示意图；

图8为实施例4中的无序子结构长周期的阵列排布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进一步详细说明：

实施例1：

一种无序子结构长周期光栅，包括阵列排布在基体上的无序子结构长周期；

无序子结构长周期由子结构单元阵列排布构成，

子结构单元为按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中选定的旋转角度进行旋转后的基本单元，

基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，角度α为基本单元的最小对称旋转角，0<α<2π，

旋转方向包括顺时针和逆时针方向，

旋转角度集合中的旋转角度为θi，θi∈{θ1～θn}，0≤θi<α，n为正整数。

优选的，无序子结构长周期由子结构单元以正方阵列排布构成或者无序子结构长周期由子结构单元以菱形阵列排布构成。

优选的，基本单元为长宽比例大于2的矩形或者长轴与短轴比例大于2的椭圆或者正多边形或者星形或者花瓣形。

无序子结构长周期由子结构单元以正方阵列排布或者菱形阵列排布构成时，子结构单元的行数为10~100，列数为10~100。

实施例2：

一种无序子结构长周期光栅的设计方法，包括以下详细步骤：

步骤一、选定基本单元

选取一个或多个基本单元。基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，具有旋转对称性，即以过基本单元中心点且垂直于基本单元所在平面的旋转轴进行角度α的旋转后的基本单元与旋转前的基本单元重合，旋转轴与基本单元的交点为旋转中心点，角度α为基本单元的最小对称旋转角，其中0<α<2π，若选取多个基本单元，各个基本单元的厚度一致，且各个基本单元的旋转外径相同。

基本单元可以为长宽比例大于2的矩形或者长轴与短轴比例大于2的椭圆或者正多边形或者星形或者花瓣形。

步骤二、设定旋转变换参数

旋转方向包括顺时针旋转或逆时针旋转；

旋转角度集合包括n个旋转角度θ1～θn，θi∈{θ1～θn}，0≤θi<α，α为最小对称旋转角，n为正整数；

步骤三、设定无序子结构长周期

子结构单元以正方阵列排布构成无序子结构长周期或者子结构单元以菱形阵列排布（即两方向夹角为60°的方向阵列）构成无序子结构长周期；

子结构单元由基本单元按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中随机选择的旋转角度θi进行旋转后获得；

无序子结构长周期由子结构单元以正方阵列排布或者菱形阵列排布构成时，子结构单元的行数为10~100，列数为10~100。

步骤四、无序子结构长周期在基体上阵列排布得到无序子结构长周期光栅。

实施例3：

该实施例以五角星结构（图1）为基本单元，以正方晶格的形式即正方阵列排布的方式（图2）在基体上排布。

步骤一：选定基本单元

选取一个基本单元。基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，具有旋转对称性，即以过基本单元中心点且垂直于基本单元所在平面的旋转轴进行角度α的旋转后的基本单元与旋转前的基本单元重合，旋转轴与基本单元的交点为旋转中心点，角度α为基本单元的最小对称旋转角，其中0<α<2π，若选取多个基本单元，各个基本单元的厚度一致，且各个基本单元的旋转外径相同。

在本实施例中，基本单元为五角星，最小对称旋转角为72°，基本单元的内切圆半径为外接圆半径的一半。

步骤二：选定旋转变换参数

旋转方向为顺时针旋转；

旋转角度集合包括16个旋转角度θ1～θ16，16个旋转角度θ1～θ16为在0°~72°之间等概率随机选定。在本实施例中，16个旋转角度θ1～θ16分别为15°，6°，23°，67°，32°，39°，52°，58°，44°，3°，0°，19°，51°，33°，25°，63°。

步骤三：设定无序子结构长周期

子结构单元以正方晶格的形式排布，即正方阵列排布构成无序子结构长周期；

子结构单元由基本单元按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中随机选择的旋转角度θi进行旋转后获得；

步骤四、无序子结构长周期在基体上阵列排布得到无序子结构长周期光栅。

该实施例的基本单元设置在基体上，基体和基本单元所用材料为硅，本实施例获得的无序子结构长周期光栅相比于无光栅结构的硅平板，对光的吸收率提升近1.1倍，同有相同子单元而无旋转变换的有序光栅性能接近，且与有序光栅相比，在对光入射角度方面要求较低，在比较宽的入射角度范围内均有良好的吸收效果。

实施例4：

该实施例使用四花瓣形的基本单元（图5（a）、图5（b））。以三角晶格即菱形阵列排布的形式（图6）在基体上排列，在本实施例中，四花瓣形的外轮廓为四个相交于同一点的相同半径的圆的外轮廓，四个圆上过相交点的四个直径相互垂直。

步骤一：选定基本单元

选取一个基本单元。基本单元为具备设定厚度的平面构件，基本单元为旋转对称结构，具有旋转对称性，即以过基本单元中心点且垂直于基本单元所在平面的旋转轴进行角度α的旋转后的基本单元与旋转前的基本单元重合，旋转轴与基本单元的交点为旋转中心点，角度α为基本单元的最小对称旋转角，其中0<α<2π，若选取多个基本单元，各个基本单元的厚度一致，且各个基本单元的旋转外径相同。

在本实施例中，基本单元为四花瓣形，最小对称旋转角为90°。

排布方式以图6中所示的三角晶格阵列排布，即菱形阵列排布，每个长周期中9个子结构，这些子结构位置i编号为1~9。

步骤二：选定旋转变换参数

旋转方向为顺时针旋转；

旋转角度集合包括9个旋转角度θ1～θ9，9个旋转角度θ1～θ9为在0°～90°之间等概率随机选定。在本实施例中，9个旋转角度θ1～θ9分别为79°，6°，86°，67°，32°，25°，52°，16°，44°。

步骤三：设定无序子结构长周期

子结构单元由基本单元按照选定的旋转方向以及按照在旋转角度集合中随机选择的旋转角度θi进行旋转后获得；

步骤四、无序子结构长周期在基体上阵列排布得到无序子结构长周期光栅。

该实施例的基本单元设置在基体上，基体和基本单元所用材料为硅，本实施例获得的无序子结构长周期光栅相比于无光栅结构的硅平板，对光的吸收率提升近1倍，同有相同子单元而无旋转变换的有序光栅性能接近，且与有序光栅相比，在对光入射角度方面要求较低，在比较宽的入射角度范围内均有良好的吸收效果。