一种基于微纳结构的可调窗口片及其设计方法

本发明属于红外光场调控及红外光电探测，具体涉及一种基于微纳结构的可调窗口片及其设计方法。

背景技术：

1、红外光场调控一直以来是红外技术研究的核心内容，其中窗口片的抗反射(高透射)和高发射能力直接影响红外光电系统的性能。自soref教授20世纪80年代提出硅光技术以来，硅基光电子器件的制备工艺已经十分成熟，与硅基相关的制备工艺也具有方法多样、成本低廉、性能稳定的有点。然而，由于硅的高折射率以及本征吸收率相对较高等问题，硅通常不会被用于长波红外成像或窗口光学元件。然而，在mie散射的研究中，通过引入si基超晶格，已经可以实现对于si基窗口片透射率(抗反射)的增强。迄今为止，没有可以实现同时兼容窗口片和反射镜作用的红外调制器件，这严重影响了光电系统的集成，不利于降低光电系统的成本。

2、在红外光谱测试领域，如果需要得到检测样品的红外透过率和红外反射率，需要通过采用两套不同的红外光路系统以实现透过率和反射率的测量。而采用具有可调制特性的透射/反射的红外窗口片可以实现复杂光路系统的替换，并实现原位透反射率的测量，这是原有红外光谱测试所不能实现的。在光电对抗领域，红外探测器通过接收透过红外窗口片的红外光实现红外感知成像，针对此激光毁伤往往通过高功率激光实现对红外探测器的致盲。如果可以实现自适应的高透射与高反射切换，则可以满足红外探测器成像与防护的兼容。而基于吸收式和反射式的红外光调制器，红外光无法通过调制器达到红外探测器端，因此，无法应用于此领域。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于微纳结构的可调窗口片及其设计方法，同时具有抗反射和高反射的调制性能，以实现工作波长范围内的高反射和高透射的切换，透过率和反射率较高。对比一般优化，该四分优化设计方法展现出其在器件设计中的偏振不敏感性的优势，大大提升器件的应用潜力。

2、本发明提供一种基于微纳结构的可调窗口片，包括衬底和设置在衬底上的相变超晶格算法优化区，所述相变超晶格算法优化区包括多个周期单元，每个周期单元被划分为m×n个正方形单元，每个正方形单元的状态为空气或者为相变材料；

3、所述周期单元的状态通过如下设计方法确定得到，构建由多个正方形单元组成的初始种群，基于目标波长范围构建透过率和反射率评价函数，得到性能指标值；对所述初始种群进行遗传操作生成新一代种群；所述遗传操作包含复制、选择、交叉和变异操作；通过检测所述新一代种群中最优个体的性能指标值经过多次优化后是否趋于稳定，来判断遗传算法是否满足停止优化条件；其中，所述最优个体是为性能指标值最优的遗传个体；若满足，则得到所述最优个体对应的周期单元。

4、在其中一个实施例中，所述透过率和反射率评价函数为：

5、fomtrans为工作波长范围为7～14μm及波长范围9～11μm的透过率评价函数，fomref为工作波长范围为7～14μm及波长范围9～11μm的反射率评价函数。

6、在其中一个实施例中，所述周期单元的边长为0.1-14μm，所述周期单元的厚度为0.1-2μm。

7、在其中一个实施例中，所述相变材料为vo2、ge2sb2te5、ge3sb2te6、ge2sb2se4te1或in3sbte2，优选所述相变材料为in3sbte2。

8、在其中一个实施例中，所述周期单元的边长为5μm，所述周期单元的厚度为1μm。

9、在其中一个实施例中，所述m等于n，所述相变超晶格算法优化区包括b1、b2、b3、b4共4个周期单元，b1周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区的中心旋转90°后得到b2周期单元，b2周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区的中心旋转90°后得到b3周期单元，b3周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区的中心旋转90°后得到b4周期单元。

10、在其中一个实施例中，“0”表示不填充相变材料，即空气状态，“1”表示填充相变材料状态，m等于5；所述相变超晶格算法优化区的状态为：

11、第01行单元状态为：1,0,0,1,0,1,0,1,1,1；

12、第02行单元状态为：1,0,1,0,1,1,0,1,0,0；

13、第03行单元状态为：1,1,1,1,0,0,1,1,1,0；

14、第04行单元状态为：0,0,1,1,0,0,1,1,0,1；

15、第05行单元状态为：1,1,0,0,1,1,0,0,1,0；

16、第06行单元状态为：0,1,0,0,1,1,0,0,1,1；

17、第07行单元状态为：1,0,1,1,0,0,1,1,0,0；

18、第08行单元状态为：0,1,1,1,0,0,1,1,1,1；

19、第09行单元状态为：0,0,1,0,1,1,0,1,0,1；

20、第10行单元状态为：1,1,1,0,1,0,1,0,0,1。

21、在其中一个实施例中，所述衬底为si衬底。

22、本发明提供一种基于微纳结构的可调窗口片的设计方法，所述周期单元的状态通过如下设计方法确定得到，构建由多个正方形单元组成的初始种群，基于目标波长范围构建透过率和反射率评价函数，得到性能指标值；对所述初始种群进行遗传操作生成新一代种群；所述遗传操作包含复制、选择、交叉和变异操作；通过检测所述新一代种群中最优个体的性能指标值经过多次优化后是否趋于稳定，来判断遗传算法是否满足停止优化条件；其中，所述最优个体是为性能指标值最优的遗传个体；若满足，则得到所述最优个体对应的周期单元。

23、本发明的有益效果如下：

24、相变材料往往是常见的吸收体不透明材料，由于本征损耗问题，体块形相变材料往往难以达到高反射率的目的。通常情况下，通过调制相变材料产生本征吸收，提升吸收率，实现透过率的调制，而不用于反射增强。而在高反射结构中通常采用透明介质组成的布拉格光栅，或者金属镀层。在本发明中，合理设计相变材料超晶格实现了光场反射增强，这是一般相变材料本身所不具备的，发明人基于相变材料的调控特性，采用逆向设计算法的设计一种基于相变超晶格的可调硅基窗口片，使得硅基窗口片可以同时具有抗反射和高反射的调制性能，对于红外光场调控及红外系统集成扩展具有重要意义。

25、本发明提出了一种基于相变超晶格的可调硅基窗口片及其设计/制造方法，从而实现了硅基窗口片高透射(抗反射)和高反射光场调控特性的兼容。当相变材料处于非结晶态时，7～14μm的宽带平均透射率高达90.7％；相比于硅晶圆，宽带平均透射率提升35％。当相变材料处于结晶态时，7～14μm的宽带平均反射率高达91.5％；相比于硅晶圆，宽带平均反射率提升60％。该可调硅基窗口片进一步解决了红外光场调控中同时兼容高反射和高透射的兼容性问题，为红外光场调控提供了一条新的集成解决方案。

技术特征：

1.一种基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，包括衬底(1)和设置在衬底(1)上的相变超晶格算法优化区(2)，所述相变超晶格算法优化区(2)包括多个周期单元，每个周期单元被划分为m×n个正方形单元(21)，每个正方形单元(21)的状态为空气或者为相变材料；

2.如权利要求1所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述透过率和反射率评价函数为：fomtrans为工作波长范围为7～14μm及波长范围9～11μm的透过率评价函数，fomref为工作波长范围为7～14μm及波长范围9～11μm的反射率评价函数。

3.如权利要求1所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述周期单元的边长为0.1-14μm，所述周期单元的厚度为0.1-2μm。

4.如权利要求1所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述相变材料为vo2、ge2sb2te5、ge3sb2te6、ge2sb2se4te1或in3sbte2。

5.如权利要求4所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述相变材料为in3sbte2。

6.如权利要求1所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述周期单元的边长为5μm，所述周期单元的厚度为1μm。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述m等于n，所述相变超晶格算法优化区(2)包括b1、b2、b3、b4共4个周期单元，b1周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区(2)的中心旋转90°后得到b2周期单元，b2周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区(2)的中心旋转90°后得到b3周期单元，b3周期单元围绕所述相变超晶格算法优化区(2)的中心旋转90°后得到b4周期单元。

8.如权利要求7所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，“0”表示不填充相变材料，即空气状态，“1”表示填充相变材料状态，m等于5；所述相变超晶格算法优化区(2)的状态为：

9.如权利要求1所述的基于微纳结构的可调窗口片，其特征是，所述衬底为si衬底。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于微纳结构的可调窗口片的设计方法，其特征是，所述周期单元的状态通过如下设计方法确定得到，构建由多个正方形单元(21)组成的初始种群，基于目标波长范围构建透过率和反射率评价函数，得到性能指标值；对所述初始种群进行遗传操作生成新一代种群；所述遗传操作包含复制、选择、交叉和变异操作；通过检测所述新一代种群中最优个体的性能指标值经过多次优化后是否趋于稳定，来判断遗传算法是否满足停止优化条件；其中，所述最优个体是为性能指标值最优的遗传个体；若满足，则得到所述最优个体对应的周期单元。

技术总结本发明属于红外光场调控及红外光电探测技术领域，具体涉及一种基于微纳结构的可调窗口片及其设计方法，包括衬底和设置在衬底上的相变超晶格算法优化区，所述相变超晶格算法优化区包括多个周期单元，每个周期单元被划分为M×N个正方形单元，每个正方形单元的状态为空气或者为相变材料；本发明同时具有抗反射和高反射的调制性能，可以实现工作波长范围内的高反射和高透射的切换，透过率和反射率较高。对比一般优化，该四分优化设计方法展现出其在器件设计中的偏振不敏感性的优势，大大提升器件的应用潜力。技术研发人员：杨俊波,姜鑫鹏,张振福,张兆健,曾俊翔受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12