红外（IR）光在各个领域都有应用，包括热成像，夜视，生物医学传感器等。由于用于制造IR摄像机的镜头和窗户的材料的折射率很高，因此很大一部分的光被反射回（硅中约为30％，在三硫化锌锌锌中占21％）。克服此类挑战的常规方法是使用多层介电涂层，但这构成了诸如有限的带宽等挑战。狭窄的接受角；在高温下（例如激光器）操作时薄层之间的粘附损失。克服此类挑战的一种方法是用特定模式蚀刻镜头或窗户的顶表面，以增强红外光谱中的透射率。但是，分析镜头和窗户上不同蚀刻模式的透射率需要在最终确定产品之前进行多个设计迭代。
编者注：此博客文章于2021年11月9日更新，以讨论微观结构的宽带优化。
模拟抗反射微观结构的不同设计模式
模拟是解决高制造费用问题的最明智方法之一。您可以模拟不同的图案及其复杂性，以增强最终原型的透射率，然后将其用于制造。在这篇博客文章中，我们探讨了两个微观结构设计如何改善硅（〜70％）和镉锌钛化锌（〜79％）的大量透射率在特定波长频谱中超过90％。两个微观结构设计是：
- 长方形
- 金字塔
如下图所示，可以用矩形微观结构阵列将散装硅蚀刻在顶部。但是，可以模拟单个单位单元格和周期性条件，而不是对矩形微结构的阵列进行建模。这种方法大大减少了模型的计算时间，而不会阻碍结果的准确性。您当然可以在comsolMultiphysics®软件中分析一个3D单元单元，但是，为了保持分析简单，并且仍然获得大量见解，我们将展示一种方法来模拟3D单元的简单2D交叉部分细胞模型。
散装硅可以用散装硅上的矩形微结构阵列代替。具有周期性条件的单位细胞模型复制了散装硅上的矩形微结构的阵列。
矩形微观结构和硅底物
硅的大部分透射率估计约为70％。其他30％在环境中被反映和丢失。在本节中，我们将讨论在Si底物顶部蚀刻的矩形微结构的阵列如何在2.6μm和4.5μm之间的红外光谱中运行时，将透射率提高了90％以上。还分析了用矩形微结构（0-80°）的矩形微结构蚀刻的散装Si的透射率。
矩形蚀刻图在完整的硅块底物上进行。但是，为简单起见，我们考虑了一个2D横截面单位细胞模型，如下图所示。可以改变矩形图案的高度和宽度以及单位电池的音高，以在2.6μm和4.5μm内更改透射率。
在该模型中，晶胞的俯仰被认为是780 nm，而矩形的高度和宽度分别为450 nm和125 nm。Floquet周期性条件可以应用于单位单元的两侧。这港口条件，端口类型设置为周期性，可以选择发射电磁平面波在z方向（脱离平面）并在-y方向（向下）。平面外（M =±1）衍射顺序在端口2中添加，以解释更高阶的衍射。
建立矩形微观结构的单元单元的边界条件。
首先，在从2.6μm扫描到4.5μm的情况下进行波长域研究，步骤为0.1μm。然后，进行操作波长为3μM的波长域研究在扫射入射角时进行（在港口边界条件）在0到80°之间，步骤为1°。可以观察到，散装硅的透射率（〜69％）可以在2.6μm内提高到92％以上，而正常发射率可以提高到4.5μm。在发病率扫描研究中，40°后的透射率显着下降。
0Th- 硅矩形微观结构的顺序透射率具有不同的工作波长。
0Th- 硅矩形微观结构的顺序透射率相对于入射角3μm。
带有镉锌酸锌基质的锥体微观结构
牙加仑（CZT）（CZT）的大量透射率估计约为79％。其他21％在环境中被反映和丢失。在本节中，我们将讨论在CZT底物顶部蚀刻的锥体微结构如何在7μm和14μm之间的红外光谱中运行时增强的透射率超过90％。还分析了用锥体微观结构（0-80°）的锥体微观结构蚀刻的大量CZT的透射率。
在该模型中，晶胞的螺距被认为为2.4μm，而金字塔的高度则为5μm。金字塔顶部边缘的宽度被认为是100 nm。同样，Floquet周期性条件在单位单元的两侧都应用，而港口健康）状况，周期性选择，选择发射电磁平面波在z方向（脱离平面）并在-y方向（向下）。平面外（M =±1）衍射顺序在端口2中添加，以解释更高阶的衍射。
建立锥体微结构的单元单元的边界条件。
首先，波长域研究是在从7μm扫描到14μm的情况下进行的，而步骤为0.2μm。然后，在扫射入射角的同时，进行操作波长为7.5μm的波长研究（在港口边界条件）在0到80°之间，步骤为1°。可以观察到，散装硅的透射率（〜79％）可以在7μm内提高到94％以上，而正常入射率可以提高到14μm。在发病率扫描研究中，27°后的透射率显着下降。
0Th- CZT锥体微观结构的订购式透射率具有不同的工作波长。
0Th-CZT锥体微观结构的阶订单透射率在7.5μm相对于入射角时运行。
微观结构的宽带优化
此外，可以提出一个问题，即是否可以进一步改善矩形和锥体几何形状的宽带透射率。为了回答这个问题，通过定义以下目标函数来为矩形和锥体微观结构设置无梯度的宽带优化：
^2 \]
在哪里\ lambda_ {min}和\ lambda_ {max}分别是最小和最大工作波长，T_E= 100*ReaLdot（ewfd.s21，ewfd.21）= 100*| ewfd.s21 |2， 和T_T=100。目标函数试图优化整个光谱中的透射率接近100％的目标传输。
对于矩形微观良好，以两个控制参数设置上述目标函数：w_ {支柱}（支柱宽度）和h_ {支柱}（支柱高），受到约束的约束：
对于锥体微结构，使用三个控制参数设置相同的目标函数：wb_ {金字塔}（金字塔底部宽度），wt_ {金字塔}（金字塔顶宽度）和h_ {金字塔}（金字塔高度），受到约束的约束：
下标L和U表示约束的下限和上限。
完整的细节宽带优化在教程模型中描述。建立优化研究以通过改变从下限到上限的范围内的控制参数来最大程度地减少目标函数。对于矩形微观结构，进行宽带优化在2.5μm和4.5μm之间，而对于金字塔微观结构，进行宽带优化在7μm和14μm之间。
图中显示了针对原始和优化几何形状的无梯度宽带优化的结果，并在下表中进行了总结。
对矩形（左）和锥体（右）微结构的原始几何形状和优化几何形状的透射率进行比较。
下表总结了矩形微结构的几何参数：
| 参数 | 原始几何形状 | 优化的几何形状 |
|---|---|---|
| 支柱的厚度 | 50 nm | 111.32 nm |
| 柱子的高度 | 100 nm | 461.67 nm |
下表总结了锥体微结构的几何参数：
| 参数 | 原始几何形状 | 优化的几何形状 |
|---|---|---|
| 金字塔的最高宽度 | 50 nm | 50 nm |
| 金字塔的底部宽度 | 0.5μm | 0.9μm |
| 金字塔的高度 | 0.5μm | 2.25μm |
总结思想
使用仿真，我们能够确定矩形硅微结构可以将散装硅的透射率（〜70％）增加到2.6μm和4.5μm之间的90％以上，而锥体CZT微结构可以增加从散装的传输。在7μM和14μM频谱之间，CZT（〜79％）至94％以上。我们还可以观察到，当矩形硅和锥体CZT微结构的入射角增加时，透射率会降低。如本博客文章中所述，可以通过执行无梯度的宽带优化来进一步增强这些微观结构的宽带传输。
下一步
是否想尝试为红外波长建模微结构抗反射涂层？单击下面的按钮以访问此处讨论的模型的MPH文件。
您也可以尝试这些相关的教程模型：
参考
- D.S. Hobbs，B.D。麦克劳德（MacLeodProc。SPIE 5786，窗户和圆顶技术和材料IX，第349–364页，2005年。
评论（2）
伊瓦尔·凯尔伯格（Ivar Kjelberg）
2021年7月8日不错的博客，
现在，要迈出一步，可以将此类结构放在MEMS变形结构上，在波导腔内并获得可调过滤器…
从来没有时间推动这个想法，这是由25年前的一位同事为我们的MEMS设计师提出的，但是当时我们没有工具来优化和看到此类结构的真正好处，因此有效地出售内部想法。
现在有可能，但是我的时间已经“结束”，所以它适合您，下一个“一代”
玩得开心，
真诚的伊瓦
乌塔姆·帕尔
2021年7月8日 comsol员工嗨，伊瓦，
这是一个很好的建议。我们已经注意到了这一点，肯定会看到我们是否可以朝着可调过滤器迈进，这是一个多物理问题。再次感谢。