一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法，涉及光学元件设计加工技术领域，解决了现有技术中单一滤波器存在的劣势，影响系统转换效率的技术问题；包括熔石英基底，熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；本发明专利技术针对现有技术存在的问题，提出了将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器进行耦合形成串联滤波器，达到双重优化效果，能够进一步提高滤波器性能，避开了单一滤波器的劣势；本发明专利技术提供了基础遗传算法的串联滤波器设计方法，可耦合众多参数，设计精度高且可以减小膜层层数，降低多层膜制备难度，能够保证在计算机仿真简单的情况下，进行深度拟合计算达到较好的设计要求。较好的设计要求。较好的设计要求。

【技术实现步骤摘要】
一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法


[0001]本专利技术属于光学元件设计加工领域，涉及一种串联结构的近红外带通滤波器设计技术，具体是一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法。

技术介绍

[0002]热光伏系统可为深空探测器提供电力，提高其转化效率能够减少燃料消耗并降低成本；热光伏系统的系统转换效率包括光谱效率和光伏电池的量子效率，其中光谱效率由热辐射源和滤波器性能决定，因此滤波器优化设计对系统效率提升具有重要意义。
[0003]优化滤波器性能的主要目标为：准确的峰值波长、尽可能小的半高全宽以及较低的吸收率；在用于热光伏系统的近红外带通滤波器中，现有方案包括多层介质膜、透明导电氧化物薄膜和频率选择表面；多层介质膜的吸收损耗小、截止特性好，劣势在于存在多个通带且通带震荡明显；透明导电氧化物提高了载流子迁移率既可以降低透明导电氧化物滤波器的吸收水平，又可以增加其长波反射率，但目前掺杂氧化物薄膜制备方法限制了载流子迁移率；频率选择表面本质上是天线阵列，可通过结构参数设计精确调整通带的中心波长，但其半高全宽和总吸收率受限于表面等离基元的内禀属性，无法进一步压缩。
[0004]可见用于热光伏系统的近红外滤波器存在多种设计方案，包括多层介质膜、频率选择表面、透明导电氧化物薄膜等；这些滤波器均可实现近红外波段的带通滤波，但单一的滤波器存在不可克服的劣势，且严重影响系统效率；因此，亟需一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本专利技术提出了一种串联结构的近红外带通滤波器及设计方法，用于解决现有技术中单一滤波器存在的劣势，影响系统转换效率的技术问题，本专利技术通过将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器串联的滤波器，达到低吸收(小于0.05)窄带宽(半高全宽小于200nm)的效果，提高了热光伏系统转换效率。
[0006]为实现上述目的，根据本专利技术的第一方面的实施例提出一种串联结构的近红外带通滤波器，包括熔石英基底；
[0007]所述熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，所述熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；
[0008]所述表面滤波器为Au膜阵列结构；其中，Au膜阵列结构包括十字形和环形；
[0009]所述多层膜滤波器包括第一匹配层、第二匹配层和周期层；其中，第一匹配层和第二匹配层分别设置在周期层两侧，且所述第一匹配层和所述熔石英基底相接触；
[0010]所述频率选择表面滤波器和所述多层膜滤波器相互耦合形成串联滤波器。
[0011]优选的，所述串联滤波器中表面滤波器的透射光谱峰值波长为1.4um
‑
1.5um，峰值透射率0.6
‑
0.8，半高全宽350nm
‑
500nm。
[0012]优选的，所述串联滤波器中多层膜滤波器的透射光谱为：短波截止波长1um，长波截止波长1.5um
‑
1.6um，截止边宽度150nm
‑
250nm，峰值透射率大于0.8，最大震荡值小于0.2。
[0013]优选的，所述串联滤波器中多层膜滤波器的膜层材料包括高折射率的硅和低折射率的二氧化硅；其中，硅的折射率为3.4+i0.001@1.5um，二氧化硅的折射率为1.5@1.5um。
[0014]优选的，所述串联滤波器的多层膜滤波器中第一匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为150.25nm和177.05nm；
[0015]所述周期层的周期数为3，且每个周期中二氧化硅和硅的膜厚分别为191.67nm和169.20nm；
[0016]所述第二匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为300nm和165.42nm。
[0017]优选的，所述串联滤波器应用于工作温度为800℃
‑
1500℃的GaSb电池热光伏系统。
[0018]一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，包括：
[0019]步骤1：通过测量或者计算机仿真获取频率选择表面滤波器的透射光谱信息；其中，透射光谱信息包括峰值波长λ
FSS
，峰值透射率T
FSS
和半高全宽FAWH
FSS
；
[0020]步骤2：频率选择表面滤波器峰值波长λ
FSS
与串联滤波器半高全宽FAWH
TAG
结合公式λ
s
＝λ
FSS
‑
FAWH
TAG
/2和λ
l
＝λ
FSS
+FAWH
TAG
/2分别获取短波截止波长λ
s
和长波截至截止波长λ
l
；
[0021]步骤3：选择SiO2/Si膜系，设计L/2H多层膜滤波器，利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数；将优化之后的多层膜滤波器和频率选择表面滤波器耦合生成串联滤波器；其中，遗传算法的优化目标是在截止边波长准确的情况下，获取最高的峰值透射率和最小震荡值，且截止边宽度小于200nm。
[0022]优选的，步骤3中利用遗传算法优化多层膜滤波器的膜层参数，包括：
[0023]步骤31：根据公式λ0＝4n
L
d
L
＝2n
H
d
H
计算中心波长λ
s
<λ0<λ
l
的二氧化硅介质膜厚d
L
和硅介质膜厚d
H
；
[0024]步骤32：根据步骤31计算结果，仿真计算不同周期层层数N的透射光谱，N越大截至边宽度越窄，但震荡越严重同时制作难度也越高，因此选择介质宽度小于200nm的最小层数N即可；
[0025]步骤33：步骤31和32确定了周期层膜厚和层数。为克服震荡，在周期曾上下各设置单SiO2/Si双层作为匹配层，利用遗传算法优化匹配层厚度值，膜厚变化区间为500nm
‑
2000nm，初始厚度为0。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027]1、本专利技术针对现有技术存在的问题，提出了将多层膜滤波器和频率选择表面滤波器进行耦合形成串联滤波器，达到双重优化效果，能够进一步提高滤波器性能，避开了单一滤波器的劣势。
[0028]2、本专利技术提供了基础遗传算法的串联滤波器设计方法，可耦合众多参数，设计精度高且可以减小膜层层数，降低多层膜制备难度，能够保证在计算机仿真简单的情况下，进行深度拟合计算达到较好的设计要求。
附图说明
[0029]图1为本专利技术串联滤波器的结构示意图；
[0030]图2为本专利技术优化前多层膜滤波器的膜层厚度直方图；
[0031]图3为本专利技术优化前多层膜滤波器的透射光谱图；
[0032]图4为本专利技术优化前多层膜滤波器在不同入射角度下，透射率随波长变化示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，包括熔石英基底；所述熔石英基底上表面设置有频率选择表面滤波器，所述熔石英基底的下表面设置有多层膜滤波器；所述表面滤波器为Au膜阵列结构；其中，Au膜阵列结构包括十字形和环形；所述多层膜滤波器包括第一匹配层、第二匹配层和周期层；其中，第一匹配层和第二匹配层分别设置在周期层两侧，且所述第一匹配层和所述熔石英基底相接触；所述频率选择表面滤波器和所述多层膜滤波器相互耦合形成串联滤波器。2.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，所述串联滤波器中表面滤波器的透射光谱峰值波长为1.4um
‑
1.5um，峰值透射率0.6
‑
0.8，半高全宽350nm
‑
500nm。3.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，所述串联滤波器中多层膜滤波器的透射光谱为：短波截止波长1um，长波截止波长1.5um
‑
1.6um，截止边宽度150nm
‑
250nm，峰值透射率大于0.8，最大震荡值小于0.2。4.根据权利要求1所述的一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，所述串联滤波器中多层膜滤波器的膜层材料包括高折射率的硅和低折射率的二氧化硅；其中，硅的折射率为3.4+i0.001@1.5um，二氧化硅的折射率为1.5@1.5um。5.根据权利要求4所述的一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，所述串联滤波器的多层膜滤波器中第一匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为150.25nm和177.05nm；所述周期层的周期数为3，且每个周期中二氧化硅和硅的膜厚分别为191.67nm和169.20nm；所述第二匹配层中二氧化硅和硅的膜厚分别为300nm和165.42nm。6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种串联结构的近红外带通滤波器，其特征在于，所述串联滤波器应用于工作温度为800℃
‑
1500℃的GaSb电池热光伏系统。7.一种串联结构的近红外带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈火耀，刘斌，
申请(专利权)人：安徽中科光栅科技有限公司，
类型：发明
国别省市：