1. 研究目的与意义
研究背景：在透射光学系统中，反射不仅减弱了透射光的强度，而且有可能使得图像质量降低。对于一个包含多个光学元件的系统，反射所累加的效果会带来很大的误差。薄膜技术被越来越多地用来减少反射。然而它也有一定的局限，比如对温度敏感、应用波段较窄、以及入射角度的变化对抗反射效率影响明显等。蛾眼结构能够很好地克服薄膜技术的缺陷，并且达到很好的抗反射效果。在20世纪六七十年代，Bernhard等发现了一种夜间飞蛾，其复眼是由排列有序的六角形纳米结构阵列构成，周期约为300nm，高度约为200nm，结构尺寸小于可见光波长，且该结构可等效看作材料表面的折射率沿深度方向呈连续变化，减小了折射率急剧变化造成的反射现象，这一特点使飞蛾的眼角膜对可见光具有很低的反射系数，以上为“蛾眼效应”。蛾眼结构能够很好地克服薄膜技术的缺陷，并且达到很好的抗反射效果。
由于蛾眼微纳结构可以在任何材料上制作，并且具有天然的抗反射性以及适应环境强等优点，从而吸引了较多研究人员投入到仿生蛾眼的探索当中。仿生蛾眼抗反射微纳结构尺度一般小于工作波长，使得入射波不能分辨微结构形状。在微结构层区域内，各级衍射波矢量互相耦合，表现为在反射区或透射区内存在高级衍射。同时由于亚波长微结构的各向异性，使得微结构表面表现出独特的偏振衍射特性。
目的及意义：多年来，各国研究者设计和制造了不同的蛾眼结构，包括圆柱形、圆孔形和随机结构，应用于不同的领域，比如红外辐射传感器、太阳能和 LED等圆柱形和圆孔形虽然具有较好的抗反增透特性，但是其工作波段较窄，不能应用于宽波段。近年来，由于微纳光学制造技术的不断进步，仿真蛾眼已经成功在太阳能电池等领域得到广泛应用。
2. 研究内容与预期目标
研究内容：蛾眼表面有周期性排列的圆锥型突起结构，这种微小结构的尺寸一般小于光波长，所以蛾眼表面是一种亚波长结构。当光入射到这种纳米结构上时，由于光无法“看见”这种亚波长结构，可以将这种亚波长结构近似看成是一层具有对应的等效折射率的涂层。亚波长结构具有的一个重要特点就是优异的抗反射性能，并且在大角度宽光谱的范围内这种结构表现出的抗反射性能非常稳定。“金字塔”是一个典型的椎体结构，若将其尺寸缩小到纳米尺度并以面阵形式制作到 界面上，光波经过该“金字塔”阵列时，等效为穿过一层折射率渐变的薄膜，在界面的菲涅尔反射将被极大削弱。
为了针对光学元件表面折射率的突然变化导致菲涅尔反射损耗的现象，设计了圆球形和圆锥形两种微纳结构以提高其增透性能。首先建立了电场分布、衍射效率等的理论模型，然后以不同角度与波长的入射光对两种微结构进行仿真实验，最后利用制备的微纳结构实验样品进行实验验证。最终得出结论圆球形和圆锥形两种表面微纳结 构能够提高光学元件的增透性能，可为分析表面微纳结构对光学元件增透性能的影响提供理论支撑。
基于蛾眼的仿生抗反射结构往往以圆锥体作为基本单元结构，并在此基础上进行优化和进一步的设计。考虑到在纳米压印的工艺中，圆锥体的加工难度是非常大的，因此选择了与圆锥体在结构上相近同时在纳米压印的工艺中更加易于加工的圆柱体作为本研究的抗反射结构的基本单元结构。
3. 研究方法与步骤
研究方法：本课题采用有限时域差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)优化模拟算法，通过对影响微纳结构的反射率的占空比、周期、刻蚀深度进行仿真分析，得到有较好抗反射特性的纳米结构。时域有限差分算法是一种把电场和磁场在时间和空间上进行交替计算以求解麦克斯韦方程组的方法，由K.S.Yee在1966年第一次提出。时域有限差分法将Maxwell旋度方程写成按时间递进差分形式。通过求解差分方程组可以求得在空间中任意时刻任意位置的电场和磁场大小。将麦克斯韦方程组转换成差分形式的方法是将空间区域进行离散化处理，处理得到的离散空间网格叫做Yee网格。按时间递进在Yee网格上交替求解差分形式的麦克斯韦方程组大大简化了运算的难度。由于时域有限差分法带来的巨大便利，FDTD方法已经成为电磁学中最重要的几种数值分析方法之一。
本次实验内容就是利用光栅衍射瑞利展开形式推导出正入射及斜入射条件下各级衍射波倏逝条件，并对其各自的衍射特性进行仿真分析与验证。其次，对形状轮廓偏差对反射率的影响进行了分析，在数值计算过程中引入了圆锥度系数概念，建立了统一的仿生蛾眼微结构轮廓参数模型。并得出微结构形状的改变导致了各细分层占空比的变化，使得渐变折射率膜折射率曲线可调，因此具有实现各种光学特性的可能。
4. 参考文献
[1] 郭旭东,董亭亭,付跃刚,等. 圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制[J]. 红外与激光工程,2017,46(9):0910002.
[2] 孙希鹏, 肖志斌, 杜永超.新型砷化镓太阳电池的宽带减反射膜设计[J].光学学报, 2016,36(4):0431002.
[3] 董晓轩，申溯，陈林森.银镜反应制备纳米蛾眼减反结构法[J].光子学报, 2014,43(7): 0722001.
5. 工作计划
2022.2 下达任务书
2022.3 查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告
2022.4 学习数值计算方法，完成结构设计和分析
以上是毕业论文开题报告，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
