无序子结构光栅及通过三次随机函数设计光栅的方法
【专利摘要】本发明公开了无序子结构光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括若干个周期子单元，周期子单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅的各个周期单元结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅。本发明还可公开了通过三次随机函数设计光栅的方法，本发明将有序结构和无序结构融合在一起，在继承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，在300~1000nm的大带宽范围内陷光效果比其他无序结构提高了近100%，可以接近Lambertian极限的宽谱光陷获。
【专利说明】
无序子结构光栅及通过三次随机函数设计光栅的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及光栅设计技术领域，具体涉及无序子结构光栅，还涉及通过三次随机函数设计光栅的方法。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】
[0002]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和反射光的带宽、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。
[0003]表面光学结构从呈现的外在特征来看有三种类型:第一种是有序结构周期性排列而成，如光栅和光子晶体等;第二种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。有序结构设计容易，制作工艺也相对成熟，但是存在角度谱和带宽有限等问题。无序结构可以改善角度谱和带宽上的性能，但是无序结构通常是在材料沉淀生长和图形刻蚀等制造过程中因工艺误差较大随机得到的，对于具体怎样设计无序结构，设计什么样的无序结构还需进一步研究，难于通过系统的方法设计，造成其应用受限。
[0004]所以我们提出了一种利用随机函数三次，在有序长周期结构中引入紊乱的无序子结构组合成混合表面结构的设计方法。该方法能继承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。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供无序子结构光栅，还提供了通过三次随机函数设计光栅的方法，本发明利用随机函数和编码的方法解决了如何系统的设计无序子结构长周期光栅。
[0006]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
无序子结构光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括若干个周期子单元，周期子单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅的各个周期单元结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
[0007]如上所述的周期子单元中的子结构选自备选子结构，备选子结构中的子结构种类比周期子单元的子结构种类多I?3种。
[0008]如上所述的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于I，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0009]如上所述的光栅基质为非晶硅基质。
[0010]通过三次随机函数设计光栅的方法，包括如下步骤:
步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异;在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于I ；
步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为:
步骤2.1、利用随机函数在备选子结构中选取W组子结构单元，W大于1，每组子结构单元包括N个子结构，每组子结构单元中的子结构的编号分别标记为O?N-1，胃组子结构单元的编号分别标记为O?W-1 ；
步骤2.2、利用随机函数将每组子结构单元的N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将每组子结构单元的N个子结构按照对应的子结构编号顺序进行依次排列获得每组子结构单元对应的周期子单元，利用随机函数将每组子结构单元的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构单元编号顺序，按照子结构单元编号顺序对子结构单元对应的周期子单元进行排列得到周期单元，即得到一维无序子结构长周期光栅的一个周期单元；
步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，S卩X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构期光栅；
步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0011]如上所述的步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于I，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0012]本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
1、本发明利用随机函数将有序结构和无序结构融合在一起，是一种系统的设计无序子结构长周期光栅的方法。
[0013]2、无序子结构长周期光栅能继承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，在300?100nm的大带宽范围内陷光效果比【背景技术】中涉及的无序结构提高了近100%，可以接近Lambertian极限的宽谱光陷获。
【附图说明】
[0014]图1是实施例2从子结构集合中选取5个子结构作为备选子结构的示意图。
[0015]图2是实施例2中从备选子结构中选取3组子结构单元，(a)为第一组子结构单元；(b)为第二组子结构单元;(C)为第三组子结构单元。
[0016]图3是实施例3将每组子结构单元中的4个子结构进行随机排序示意图，(a)为第一组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图；(b)为第二组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图；(C)为第三组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图。
[0017]图4是实施例2中将3组子结构单元进行随机排序得到周期单元。
[0018]图5是实施例2中的一维无序子结构长周期光栅的结构示意图。
[0019]图6是实施例3从子结构集合中选取5个子结构作为备选子结构的示意图。
[0020]图7是实施例3中从备选子结构中选取3组子结构单元，(a)为第一组子结构单元；(b)为第二组子结构单元;(C)为第三组子结构单元。
[0021]图8实施例3将每组子结构单元中的4个子结构进行随机排序示意图，(a)为第一组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图；(b)为第二组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图；(C)为第三组子结构单元的4个子结构进行随机排序示意图。
[0022]图9实施例3中将3组子结构单元进行随机排序得到周期单元，(a)为第一组子结构单元的对应的周期单元的示意图；(b)为第二组子结构单元的的周期单元的示意图；(C)为第三组子结构单元的周期单元的示意图。
[0023]图10实施例3中的一维无序子结构长周期光栅的结构示意图。
[0024]在图中，数字均为编号，并不代表部件的数字标记。
【具体实施方式】
[0025]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:
无序子结构光栅，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括若干个周期子单元，周期子单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅的各个周期单元结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
[0026]优选的，周期子单元中的子结构选自备选子结构，备选子结构中的子结构种类比周期子单元的子结构种类多I?3种。
[0027]优选的，一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于I，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0028]优选的，光栅基质为非晶硅基质。
[0029]通过三次随机函数设计光栅的方法，包括如下步骤:
步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异;在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于I ；
步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为:
步骤2.1、利用随机函数在备选子结构中选取W组子结构单元，W大于1，每组子结构单元包括N个子结构，每组子结构单元中的子结构的编号分别标记为O?N-1，胃组子结构单元的编号分别标记为O?W-1 ；
步骤2.2、利用随机函数将每组子结构单元的N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将每组子结构单元的N个子结构按照对应的子结构编号顺序进行依次排列获得每组子结构单元对应的周期子单元，利用随机函数将每组子结构单元的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构单元编号顺序，按照子结构单元编号顺序对子结构单元对应的周期子单元进行排列得到周期单元，即得到一维无序子结构长周期光栅的一个周期单元； 步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，S卩X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构期光栅；
步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0030]优选的，步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于I，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0031]实施例2:
如图1?5，在本实施例的无序子结构光栅中，一维无序子结构长周期光栅中的一个周期单元的包括三个周期子单元:
第一个周期子单元中的子结构依次为方形子结构、三角形子结构、第二 U形槽子结构、第一 U形槽子结构；
第二个周期子单元中的子结构依次为第一 U形槽子结构、三角形子结构、第三U形槽子结构、第二 U形槽子结构；
第三个周期子单元中的子结构依次为方形子结构、第三U形槽子结构、第一 U形槽子结构和第二 U形槽子结构。
[0032]第一U形槽子结构的槽口朝上、第二 U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构槽口朝右。
[0033]一维无序子结构长周期光栅为I种，单个一维无序子结构长周期光栅即构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0034]其他与实施例1相同。
[0035]在本实施例的通过三次随机函数设计光栅的方法中:
步骤I中的备选子结构中的子结构包括方形子结构、三角形子结构、第一 U形槽子结构、第二 U形槽子结构、第三U形槽子结构。第一 U形槽子结构的槽口朝上、第二 U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构槽口朝右。
[0036]—维无序子结构长周期光栅为I种，一维无序子结构长周期光栅中的周期单元包括3个周期子单元:
如图2所示，步骤2.1中，从备选子结构中选的4个子结构作为编号为O的第一组子结构单元，第一组子结构单元中编号O?4的子结构分别为三角形子结构、第一 U形槽子结构、第二 U形槽子结构、第三U形槽子结构；
从备选子结构中选的4个子结构作为编号为I的第二组子结构单元，第二组子结构单元中编号O?4的子结构分别为方形子结构、三角形子结构、第一 U形槽子结构、第二 U形槽子结构；
从备选子结构中选的4个子结构作为编号为2的第三组子结构单元，第三组子结构单元中编号O?4的子结构分别为第一 U形槽结构、第二 U形槽子结构、第三U形槽子结构、方形子结构。
[0037]如图3所示，步骤2.2中，第一组子结构单元中的子结构通过随机排序后的子结构编号为1、0、3、2，第一组子结构单元对应的周期子单元中的子结构顺序依次为第一 U形槽子结构、三角子结构、第三U形槽子结构、第二 U形槽子结构； 第二组子结构单元中的子结构通过随机排序后的子结构编号为0、1、3、2，第二组子结构单元对应的周期子单元中的子结构顺序依次为方形子结构、三角形子结构、第二 U形槽子结构、第一 U形槽子结构；
第三组子结构单元中的子结构通过随机排序后的子结构编号为3、2、0、1，第三组子结构单元对应的周期子单元中的子结构顺序依次为方形子结构、第三U形槽子结构、第一 U形槽子结构、第二 U形槽子结构。
[0038]如图4所示，步骤2.2中，第一组子结构单元、第二组子结构单元、第三组子结构单元通过随机函数排序后为第二组子结构单元、第一组子结构单元、第三组子结构单元，随机排序后的子结构单元对应的周期子单元构成一维无序子结构长周期光栅的周期单元。
[0039]一维无序子结构长周期光栅为I种，单个一维无序子结构长周期光栅即构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
[0040]其他与实施例1一致。
[0041 ] 实施例3:
本实施例中的无序子结构光栅，一维无序子结构长周期光栅为3种，3种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，每个周期单元包括3个周期子单元，每个周期子单元包括沿X轴排列的各不相同的4个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅的各个周期单元结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。
[0042]记3种一维无序子结构长周期光栅分别为第一一维无序子结构长周期光栅、第二一维无序子结构长周期光栅、第三一维无序子结构长周期光栅。
[0043]记第一一维无序子结构长周期光栅的周期单元的依次排列的3个周期子单元分别为第一周期子单元A、第二周期子单元A和第三周期子单元A。
[0044]记第二一维无序子结构长周期光栅的周期单元的依次排列的3个周期子单元分别为第一周期子单元B、第二周期子单元B和第三周期子单元B。
[0045]记第三一维无序子结构长周期光栅的周期单元的依次排列的3个周期子单元分别为第一周期子单元C、第二周期子单元C和第三周期子单元C。
[0046]第一周期子单元A中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构和第一 U形槽子结构。
[0047]第二周期子单元A中依次排列的子结构为第三U形槽子结构、第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构。
[0048]第三周期子单元A中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、第一 U形槽子结构、第三U形槽子结构。
[0049]第一周期子单元B中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、第一 U形槽子结构、第三U形槽子结构。
[0050]第二周期子单元B中依次排列的子结构为第三U形槽子结构、第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构。
[0051]第三周期子单元B中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构、第一 U形槽子结构。
[0052]第一周期子单元C中依次排列的子结构为第三U形槽子结构、第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构。
[0053]第二周期子单元C中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、第一 U形槽子结构、第三U形槽子结构。
[0054]第三周期子单元C中依次排列的子结构为第二U形槽子结构、三角形子结构、方形子结构、第一 U形槽子结构。
[0055]第一U形槽子结构的槽口朝上、第二 U形槽子结构的槽口朝下、第三U形槽子结构槽口朝右。
[0056]其他与实施例1一致。
[0057]在本实施例的通过三次随机函数设计光栅的方法中，首先，设计M=5的体积大小、结构各异的备选子结构如附图6所示。其次，利用随机函数从5个备选子结构中每次取N=4个子结构，选取W=3次，即得到3组且每组有4个子结构的子结构单元，把每组的4个子结构单元编号为O到3如附图7所示。第三，利用随机函数将每组子结构单元的子结构编号进行随机排序，也就得到每组4个子结构的放置顺序，并且以这4个子结构形成的整体为无序子结构的一个周期子单元如附图8所示。第四，因为先前取了3次，所以就有3个周期子单元，利用随机函数将这3个周期子单元进行随机排序得到无序子结构(即周期单元)，根据实施例中的方法，一维无序子结构长周期光栅中的三种无序子结构(即周期单元)如附图9所示。最后，将无序子结构1(即第一种一维无序子结构长周期光栅的周期单元，记第一周期单元)在第一行进行周期性扩展，无序子结构2(即第二种一维无序子结构长周期光栅的周期单元，记第二周期单元)在第二行进行周期性扩展，无序子结构3(即第三种一维无序子结构长周期光栅的周期单元，记第三周期单元)在第三行进行周期性扩展，再将无序子结构I在第四行进行周期性扩展，无序子结构2在第五行进行周期性扩展，无序子结构3在第六行进行周期性扩展…，从而在x-y平面内得到无序子结构长周期光栅如附图10所示。
[0058]其他与实施例1一致。
[0059]在带宽和角度等方面更强的操控能力，在300?100nm的大带宽范围内陷光效果比其他无序结构提高了近100%，可以接近Lambertian极限的宽谱光陷获。
[0060]综上所述本发明的优点在于:利用编码和随机函数，在有序长周期结构中引入紊乱的无序子结构组合成混合表面结构，该方法能继承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，形成了一种新型的较为系统的设计含无序子结构的长周期光栅的方法。
[0061]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.无序子结构光栅，其特征在于，包括多个一维无序子结构长周期光栅，一维无序子结构长周期光栅包括沿X轴周期排列的周期单元，周期单元包括若干个周期子单元，周期子单元包括沿X轴排列的各不相同的若干个子结构，同一一维无序子结构长周期光栅的各个周期单元结构相同，各个一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列获得二维无序子结构长周期光栅，二维无序子结构长周期光栅设置在光栅基质上。2.根据权利要求1所述的无序子结构光栅，其特征在于，所述的周期子单元中的子结构选自备选子结构，备选子结构中的子结构种类比周期子单元的子结构种类多I?3种。3.根据权利要求1所述的无序子结构光栅，其特征在于，所述的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于I，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。4.根据权利要求1?3所述的任意无序子结构光栅，其特征在于，所述的光栅基质为非晶娃基质。5.通过三次随机函数设计光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1、设计子结构集合，子结构集合内的子结构形状各异;在子结构集合中选取M个子结构作为备选子结构，M大于I ； 步骤2、设计一维无序子结构长周期光栅，即沿X轴方向的一维无序子结构长周期光栅，具体为: 步骤2.1、利用随机函数在备选子结构中选取W组子结构单元，W大于I，每组子结构单元包括N个子结构，每组子结构单元中的子结构的编号分别标记为O?N-1，胃组子结构单元的编号分别标记为O?W-1 ； 步骤2.2、利用随机函数将每组子结构单元的N个子结构所对应的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构编号顺序，将每组子结构单元的N个子结构按照对应的子结构编号顺序进行依次排列获得每组子结构单元对应的周期子单元，利用随机函数将每组子结构单元的编号进行随机排序，得到随机排序的子结构单元编号顺序，按照子结构单元编号顺序对子结构单元对应的周期子单元进行排列得到周期单元，即得到一维无序子结构长周期光栅的一个周期单元； 步骤2.3、将步骤2.2获得的周期单元沿一维方向，S卩X轴方向进行周期排列，得到一维无序子结构期光栅； 步骤3、将一维无序子结构长周期光栅沿Y轴进行排列获得二维无序子结构长周期光栅。6.根据权利要求5所述的通过三次随机函数设计光栅的方法，其特征在于，步骤2获得的一维无序子结构长周期光栅为Q种，Q大于等于1，Q种一维无序子结构长周期光栅沿Y轴排列构成Y轴方向光栅周期单元，Y轴方向光栅周期单元沿Y轴周期排列获得二维无序子结构长周期光栅。
【文档编号】G02B27/00GK106019439SQ201610541989
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】侯金, 洪卫, 王文珍, 杨春勇, 陈少平
【申请人】中南民族大学