本发明专利技术公开了一种单片式光学元件以及单片式衍射光学元件的设计方法。所述单片式光学元件，用于对包含多个波长的入射光进行分色和聚焦，其包括一体成型的用于对所述入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的组合。本发明专利技术的单片式光学元件通过将透镜与光栅结合为一体，能够很好地对入射光实现高效率的分色聚焦，避免了采用两个独立的光学元件，整个光学系统过于复杂、操作不便。本发明专利技术基于聚焦透镜和闪耀光栅设计成具有基本相同的分色聚焦功能的单片式衍射光学元件，突破了现有技术中常规光学元件自身厚度的限制，使得设计的单片式衍射光学元件可以应用到更多的场合中，特别适合应用在太阳能电池中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学领域，更具体地说，本专利技术涉及一种。
技术介绍
太阳能是一种无污染、取之不尽的可再生能源，对太阳能利用的一种重要方式就是采用太阳能电池把光能转化成电能。太阳能电池的主要原理，以半导体为例，是利用半导体材料的光伏效应去吸收太阳光的能量并转换成电能。当前制约太阳能广泛利用的两个主要因素就是低光电转换效率和高成本。目前，主要通过对太阳光进行聚焦以减少使用昂贵的太阳能电池材料的方式来降低成本。而在实际的使用中，由于不同半导体材料具有的带隙结构不同，能量低于带隙的光无法被吸收转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分能量将以热的形式被浪费掉，因此，采用单一带隙的半导体材料的太阳能电池转换效率较低。为此，还需采用分色方案，即采用不同带隙的半导体材料来分别吸收转换太阳光各个波段的能量，是实现高光电转换效率的重要途径。基于以上思想，对太阳光进行分色和聚焦，是实现太阳能高效率、低成本的重要途径。就分色而言，目前世界上主要有两类研究方案，即串联(又称为“级联”)和并联(又称为 “横向”)方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，这种方式在业界通常称为“串联多结电池”。同时，还需要再提供一个高倍聚焦的光学系统以降低成本。这种“串联”方案的缺点在于，不同半导体层之间需要考虑晶格匹配，不仅材料选择性降低，而且材料之间需要具有隧道结，这需要采用分子束外延等技术进行生长，对工艺要求很高；此外，由于不同带隙的半导体之间串联连接，在实际工作时还需要电流匹配，效率亦有所损失。并联结构能够克服上述缺点，因而得到了更多关注。并联结构是指采用光学系统对太阳光同时实现分色和聚焦，使不同波段的太阳光聚焦到不同的区域，然后在对应区域上放置对该波段能量转换效率最高的半导体材料，各半导体材料独立工作。目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜(Dichroic mirror)对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。本申请人在中国专利技术专利申请No. 201110351978. 9的题为“一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用”中公开了一种能够对包含多个波长的入射光同时进行分色和聚焦的衍射光学元件的设计方法，其中使用了所谓的“厚度优化算法”来提高所设计的衍射光学元件的衍射效率。在此也全文引入该申请作为参考。该设计方法包括步骤一对于每一个波长计算衍射光学元件当前采样点处的针对该波长的调制厚度；由此对于多个波长相应地获得多个调制厚度；4步骤_.:对于每个调制厚度获得一系列相互等效的备选调制厚度；步骤三从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定衍射光学元件的当前采样点的设计调制厚度。其中的步骤二和步骤三就是“厚度优化算法”，其实质上是扩展了调制厚度的可选范围，并在扩展的可选范围内选择一个能够更好地对多个波长进行折衷的设计调制厚度。在该专利申请中，在步骤一中需要利用杨顾算法等方法来获得调制厚度，这通常需要设计复杂的计算机程序并通过大量的迭代过程来实现，这是一个非常耗时的过程。而且，其计算过程和结果还可能受到迭代过程的初始赋值的影响。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中的至少一个缺陷，本专利技术的一个目的是在于提供一种单片式光学元件。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于该单片式光学元件设计单片式衍射光学元件的方法。本专利技术的又一个目的是提供一种基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法。按照本专利技术的一个方面，提供了一种单片式光学元件，用于对包含多个波长的入射光进行分色和聚焦，其包括一体成型的用于对所述入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的组合。优选地，所述光栅为透射式闪耀光栅，并且所述透射式闪耀光栅构造成将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。所述光栅可以以光刻的方式成形在所述聚焦透镜的一侧。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能；对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括步骤一对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；步骤二 将所述多个等效调制厚度分别加上当前采样点处所述光栅的厚度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制厚度；步骤三对所述多个初始调制厚度采用厚度优化算法确定所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。按照本专利技术的又一个方面，提供了一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能；对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括步骤一对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；步骤二 对所述多个等效调制厚度采用厚度优化算法确定透镜设计调制厚度；步骤三将所述透镜设计调制厚度加上当前采样点处所述光栅的厚度以获得所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。在上述的设计方法中，所述等效调制 厚度针对对应波长的调制相位的范围为在上述的设计方法中，所述聚焦透镜可以为多个，分别用于对所述多个波长中对应波长的入射光进行聚焦。在一种实施方式中，所述厚度优化算法包括根据每一所述初始调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。在一种实施方式中，所述厚度优化算法包括根据每一所述等效调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。在上述的设计方法中，所述预定的厚度范围可以根据光刻加工工艺水平来确定。 所述光栅可以为透射式闪耀光栅，其将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。按照本专利技术的再一个方面，提供了一种上述设计方法设计的单片式衍射光学元件。作为优选，所述单片式衍射光学元件是用光刻方法制成的。本专利技术还提供了一种太阳能电池，包括上述单片式光学元件或者上述的单片式衍射光学兀件。本专利技术也还提供了一种基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法，用于根据所述常规光学元件的多个采样点处的厚度获得所述衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述常规光学元件具有对包本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能；对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括：步骤一：对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；步骤二：将所述多个等效调制厚度分别加上当前采样点处所述光栅的厚度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制厚度；步骤三：对所述多个初始调制厚度采用厚度优化算法确定所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨国桢，王进泽，叶佳声，黄庆礼，孟庆波，张岩，张东香，张秋琳，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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