长春理工大学借助 VirtualLab Fusion 攻克复合网栅光学选型难题

1、客户背景长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室与光电工程学院长期从事微纳光学、光学超表面等领域的研究工作。研究团队在减反射微纳结构方向积累了丰富的研究基础致力于推动微纳光学技术在高精度光学探测等领域的实用化进程。2、面临的核心挑战减反射微纳结构表面如“蛾眼”结构具有宽光谱、宽角度抗反射的优异光学性能在光电池、光探测等领域具有广阔的应用前景。然而研究团队在研发过程中面临一个根本性矛盾微纳结构为实现宽带减反射需要设置很大的深宽比导致结构稳定性严重降低极易因摩擦、灰尘等外界环境而损伤。传统增强机械稳定性的方法如离散微观结构、纳米涂层等主要考虑机械性能与超疏水性能较少兼顾光学性能难以直接应用于光学微纳结构表面。如何在不改变原有微纳结构光学设计的前提下提升整体结构的机械稳定性同时仅引入微弱的光学性能损失成为团队亟待突破的技术瓶颈。3、VirtualLab Fusion 解决方案面对这一两难困局长春理工大学研究团队提出了复合网栅减反射微纳结构表面的创新设计思路——在硅基底上构建氧化硅复合网栅结构使减反射微纳结构处于复合网栅下层通过网栅结构实现对内部微纳结构单元的力学保护。然而网栅结构的引入会改变表面的电磁场分布直接影响减反射性能。研究团队在研究中采用了多款仿真软件协同工作的策略其中VirtualLab Fusion在光学性能评估环节发挥了关键作用。1.网栅材料的选择团队利用VirtualLab Fusion对比了Cu铜与SiO₂氧化硅两种网栅材料对光学系统的影响。在3~5 μm宽光谱条件下Cu网栅结构产生的平均衍射能量占比约为9%而SiO₂网栅结构的衍射能量占比显著更低。从MTF曲线对比来看SiO₂材料的三种网栅结构六边形、正方形、三角形MTF曲线高度重合而Cu材料的三种网栅结构对应的MTF曲线变化较大说明金属网栅在实际光学系统应用中会对成像产生很大影响基于上述仿真结果团队最终选择了莫氏硬度为7级的非金属材料SiO₂作为网栅结构的材料。2. 网栅结构参数的系统优化借助VirtualLab Fusion高效的仿真引擎团队对网栅结构的关键参数进行了系统性的参数扫描与优化。网栅结构周期大于100 μm时产生的衍射可控制在1%以下综合考虑保护能力周期确定为100 μm宽度在2~4 μm时衍射均在1%以下兼顾保护能力取4 μm高度在300~600 nm时平均衍射不足1%兼顾保护能力取600 nm0°~40°宽角度范围内平均衍射维持在1%以下峰值不超过1.2%说明复合网栅在大角度入射下对光学性能影响较小。网栅构型的确定团队对三种构型进行了力学性能对比分析结果表明正六边形结构抗压能力最优。综合VirtualLab Fusion的光学仿真结果与力学分析正六边形网栅构型最终胜出。4、取得的成果仿真优化完成后团队通过热氧化、光刻、刻蚀等工艺成功制备了复合网栅减反射微纳结构样品。SEM图像显示正六边形网栅结构周期为100 μm、宽度为4 μm与设计结果一致且形貌良好。经过仿真优化指导并制备的复合网栅微纳结构表面在3~5 μm宽谱段、8°~40°宽角度范围内平均反射率小于4%。实验制备的蛾眼结构高度2 μm反射率测试结果与VirtualLab Fusion仿真结果高度2.2 μm趋势一致平均反射率相差约0.76%将仿真高度调整为2 μm后两者更加吻合。力学保护方面胶带剥离法测试表明带有网栅结构的微纳结构形貌未产生损伤且减反射性能保持良好——证明网栅结构确实起到了力学保护作用。“保护”与“减反”这两个看似矛盾的需求最终在VirtualLab Fusion的精准仿真助力下实现了统一。5、总结该研究为微纳结构表面在高精度光学探测领域内的应用提供了新的技术路径。团队的研究成果已发表于《光学学报》2023年第43卷第16期。面对微纳光学设计中日益复杂的多物理场耦合问题VirtualLab Fusion能够在仿真阶段为科研人员提供可靠的光学性能评估依据有效降低试错成本。