無序子結構光柵及通過一次隨機函數設計光柵的方法與流程

本發明涉及光柵設計技術領域，具體涉及無序子結構光柵，還涉及通過一次隨機函數設計光柵的方法。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：

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。

表面光學結構從呈現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，難于通過系統的方法設計，造成其應用受限。

所以我們提出了一種利用隨機函數，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。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提供無序子結構光柵，還提供了通過一次隨機函數設計光柵的方法，本發明利用隨機函數和編碼的方法解決了如何系統的設計無序子結構長周期光柵。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

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，周期單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構，各個一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構種類相同，同一一維無序子結構長周期光柵中各個的周期單元的結構相同，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。

如上所述的一維無序子結構長周期光柵為N種，N大于等于1，N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。

如上所述的光柵基質為非晶硅基質。

通過一次隨機函數設計光柵的方法，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，M大于1，將M個子結構的編號分別標記為0～M-1；

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、利用隨機函數將M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M個子結構按照子結構編號順序進行排列獲得周期單元；

步驟2.2、將步驟2.1獲得的周期單元沿一維方向，即X軸方向進行周期排列，得到一維無序子結構長周期光柵；

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周期光柵。

如上所述步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為N種，N大于等于1，N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。

本發明相對于現有技術具有以下有益效果：

1、本發明利用隨機函數將有序結構和無序結構融合在一起，是一種系統的設計無序子結構長周期光柵的方法。

2、 無序子結構長周期光柵能繼承有序結構優點的同時，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背景技術中涉及到的現有其他無序結構提高了近70% 。

附圖說明

圖1是實施例2中選取的5子結構示意圖，其中T為子結構的周期長度。

圖2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。

圖3是實施例3中選取的5子結構示意圖。

圖4是實施例3中的3種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的隨機排序的子結構編號順序，其中（a）為無序子結構1（第一種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元）；（b）為無序子結構2（第二種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元）；（c）為無序子結構3（第三種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元）。

圖5是實施例3中獲得的二維無序子結構長周期光柵。

在圖中，數字均為編號，并不代表部件的數字標記。另5T指的是5個子結構長度。

具體實施方式

以下結合附圖對本發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，周期單元包括沿X軸排列的各不相同的若干個子結構，各個一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構種類相同，同一一維無序子結構長周期光柵中各個的周期單元的結構相同，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。

優選的，所述的一維無序子結構長周期光柵為N種，N大于等于1，N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。

優選的，所述的光柵基質為非晶硅基質。

通過一次隨機函數設計光柵的方法，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，M大于1，將M個子結構的編號分別標記為0～M-1；

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、利用隨機函數將M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M個子結構按照子結構編號順序進行排列獲得周期單元；

步驟2.2、將步驟2.1獲得的周期單元沿一維方向，即X軸方向進行周期排列，得到一維無序子結構長周期光柵；

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周期光柵。

如上所述步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為N種，N大于等于1，N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。

實施例2：

如圖1～2所示，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為一種，一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構依次為三角形子結構、第三U形槽子結構、第一U形槽子結構、方形子結構、第三U形槽子結構。第一U形槽子結構的U型槽口朝上，第二U形槽子結構的U形槽口朝下，第三U形槽子結構槽口朝右。一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。

其他與實施例1相同。

在本實施例的通過一次隨機函數設計光柵的方法中，從子結構集合中選取的子結構的形狀選取如圖1所示的形狀，編號從0到4，對應的子結構形狀依次為方形子結構、三角形子結構、第一U形槽子結構、第二U形槽子結構、第三U形槽子結構，第一U形槽子結構的U型槽口朝上，第二U形槽子結構的U形槽口朝下，第三U形槽子結構槽口朝右。

在本實施例的通過一次隨機函數設計光柵的方法中，經過步驟2隨機排序后的子結構編號順序為1、3、2、0、4，依次對應的是三角形子結構、第二U形槽子結構、第一U形槽子結構、方形子結構、第三U形槽子結構。

在本實施例的通過一次隨機函數設計光柵的方法中，步驟3中一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。

其他與實施例1相同。

實施例3：

如圖3～5所示，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為三種：

第一種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構依次為三角形子結構、H形子結構、第一U形槽子結構、方形子結構、第二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。

第二種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構依次為第一U形槽子結構、H形子結構、方形子結構、三角形子結構、第二U形槽子結構，第一U形槽子結構的槽口朝上、第二U形槽子結構的槽口朝下。

第三種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的子結構依次為第二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、H形子結構，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。

三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。

其他與實施例1相同。

在本實施例的通過一次隨機函數設計光柵的方法中：

步驟1中的從子結構集合選取的子結構的形狀如圖3所示，編號從0到4，子結構依次為方形子結構、三角形子結構、第一U形槽子結構、第二U形槽子結構、H形子結構，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。

步驟2獲得的一維無序子結構長周期光柵為3種：

第一種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的隨機排序后的子結構編號順序分別為（1、4、2、0、3），對應的子結構順序為三角形子結構、H形子結構、第一U形槽子結構、方形子結構、第二U形槽子結構；

第二種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的隨機排序后的子結構編號順序分別為（2、4、0、1、3），對應的子結構順序為第一U形槽子結構、H形子結構、方形子結構、三角形子結構、第二U形槽子結構；

第三種一維無序子結構長周期光柵中的周期單元的隨機排序后的子結構編號順序分別為（3、1、0、2、4），對應的子結構順序為第二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、H形子結構。

如圖5所示，3種一維無序子結構長周期光柵依次沿Y軸分布構成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。其他與實施例1相同。

在本實施例中，獲得的無序子結構光柵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背景技術中涉及到的現有無序結構提高了近70%。

綜上所述本發明的優點在于：利用編碼和隨機函數，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的設計含無序子結構的長周期光柵的方法。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發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，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。