自组装方法制作微角反射器的有限元分析
光子晶体制备技术和应用研究进展
光子晶体制备技术和应用研究进展一、本文概述光子晶体，也称为光子带隙材料，是一种具有周期性折射率变化的介质结构，其独特的性质使得光在其中传播时受到调制，类似于电子在晶体中的行为。
因此，光子晶体被视为控制光传播行为的重要工具，具有广阔的应用前景。
随着科学技术的飞速发展，光子晶体的制备技术和应用研究进展日新月异，对推动光子学、光学、材料科学等多个领域的发展起到了重要的推动作用。
本文旨在全面概述光子晶体的制备技术和应用研究进展。
我们将回顾光子晶体的基本概念和特性，阐述其在光学领域的重要性和独特性。
然后，我们将详细介绍各种光子晶体的制备技术，包括微球自组装、激光全息干涉、胶体晶体模板法等，并分析其优缺点。
在此基础上，我们将探讨光子晶体在光子器件、传感器、显示器、太阳能电池等领域的应用研究进展，并展望其未来的发展趋势。
我们将总结当前光子晶体研究的挑战和前景，以期为该领域的研究者提供有益的参考和启示。
通过本文的综述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解光子晶体制备技术和应用研究进展的平台，促进相关领域的交流和合作，推动光子晶体技术的进一步发展和应用。
二、光子晶体的制备技术光子晶体的制备技术是实现其独特光学性质和应用的关键。
随着科技的不断进步，光子晶体的制备方法也在持续创新和发展。
目前，主要的制备技术包括微球自组装法、模板法、全息光刻法、激光直写法和溶胶-凝胶法等。
微球自组装法：这是一种基于胶体微球自组装原理的制备方法。
通过精确控制微球的尺寸和排列，可以在溶液中形成有序的三维结构，进而制备出具有特定光学性质的光子晶体。
该方法操作简单，成本低廉，但制备的光子晶体尺寸和形貌控制精度有限。
模板法：模板法是利用已有的模板结构，通过填充、沉积或刻蚀等方式，在模板表面或内部形成光子晶体结构。
这种方法可以实现复杂形状和结构的光子晶体制备，但模板的制作成本较高，且制备过程相对复杂。
全息光刻法：全息光刻法利用干涉光场的空间调制作用，在光刻胶或其他光敏材料中形成三维周期结构，进而制备出光子晶体。
反射面的分析方法以及设计过程
反射面的分析方法以及设计过程时间：2015-08-09 来源：天线设计网TAGS：反射面反射面的分析方法主要有两种：1. 面电流法即先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励起的电流密度，然后由此电流密度求远场。
在f、D的条件下反射面上某点的感应电流为：，式中，Hi为馈源辐射磁场在反射面上某点的值；n为反射面上某点的法向矢量。
见上图。
这个电流密度表示是在理想导电平面上导出的，对于曲面导电面只要该点的曲率半径远大于波长时，也是可用的。
2. 口径场法先根据几何光学定律，分析馈源照射到反射面的入射波，经反射后到达反射面的一个口径面S0上，求得反射面的口径场分布，然后由口径场可求得远区辐射场。
几何光学只有波长趋于零时才正确，反射定律也只有当电磁波作用于一个导电面上才正确。
因此口径场法也是近似的。
可以证明，这两种方法是等同的。
在反射面天线远场的主瓣及邻近的一个范围内两种方法求得结果十分吻合。
在的主瓣的较远方向有一定差别。
与实验结果比较，面电流法更精确些，但分析也复杂些。
旋转抛物面天线的是由抛物线绕其轴旋转而成的，如下图所示，反射面的焦点为F，由于是旋转抛物面，则由其焦点发出的射线经反射面反射后，将变换为平面波，这是基于几何光学定律的思想。
取通过焦点F而垂直于反射面轴线的z轴的一个平面S0，并设M为抛物线上的点，P为上S0的点，Q为准线上的点，且此三个点在一条直线上。
由抛物线性质，有f/D是一个很重要的参量。
一般来说f/D较大时，天线的电特性较好，但也不能取得太大，否则天线纵向尺寸太长，且能量泄漏大，f/D有一最佳值使G最大。
当从增益G出发，确定口径D之后，再选定合适的f/D则抛物面的形状就确定了。
由求得ψ0，则馈源需要照射的角度为2ψ0，这样便可设计馈源。
设计过程：。
一种低成本高精度复合材料反射器制造方法
一种低成本高精度复合材料反射器制造方法江文剑，梁云，赵航（中国空间技术研究院西安分院，西安700100）摘要：随着卫星使用频段的提高，人们对天线反射器形面精度也提出了越来越高的要求。
为满足碳纤维蜂窝夹层结构天线反射器高精度要求，本文提出了一种低成本、高精度反射器制造方法。
该方法以通用低成本铸铁模具作为成型模具，以加工得到的反射面作为研究对象，通过形面调整的方法对反射面刚度和调整点分布进行优化，将反射面形面精度从0.08mm RMS提高到0.02mm RMS，之后与碳纤维复合材料背架通过玻璃布角片在常温下进行粘接，最终得到形面精度为0.028mm RMS的高精度反射器。
实测结果表明，该方法能有效提高反射器制造精度和降低反射器制造成本。
关键词：反射器；复合材料；高精度；低成本；可调整中图分类号：V443+.4文献标识码：A文章编号：1007－9815（2019）02－0025－04A Low Cost and High Precision Composite Reflector Manufacturing MethodJIANG Wenjian，LIANG Yun，ZHAO Hang（China Academy of Space Technology（Xi'an），Xi'an710000，China）Abstract：With the gradual increasing of utilized satellite bands，the requirement on the surface accuracy of reflectors is growing higher rapidly．To meet the requirements of high precision of space－borne carbon fiber honey-comb sandwich antenna reflector，a low cost and high precision reflector manufacturing method is presented．In this method，the frequently－used low cost cast iron mould is used as the forming mould，and the reflector which manu-factured by the cast iron mould is taken as the research object；Base on a surface adjustment method，the stiffness of reflector is optimized as well as adjustment points，and the reflector surface deviation of the Root Mean Square （RMS）is improved from0.08mm to0.02mm．After that，the reflector is bonded with a carbon fiber honeycomb sandwich backup structure by glass fabric patches at room temperature．Finally，a high precision reflector product is obtained with0.028mm RMS．The measured results show that the manufacturing precision can be improved and the manufacturing costs is reduced effectively by the method．Key words：reflector；composite；high precision；low cost；adjustable作者简介：江文剑（1986—），男，硕士，高级工程师，主要从事星载天线结构设计与分析，电子信箱：hellojian88@126．com。
基于PS球自组装技术的微纳结构制备及SERS应用
基于PS球自组装技术的微纳结构制备及SERS应用摘要微纳结构以其特殊的光、电、磁等性质在众多领域有着广泛的应用，而周期性排列的微纳结构因具有良好的结构有序性和可控性在表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)基底制备领域引起了广泛关注。
但基于光刻工艺的SERS基底制备需要昂贵的设备，成本高，从而限制了这类SERS基底的应用。
采用低成本、多样化的胶体球自组装技术可方便、精确的制备周期性排列的微纳结构。
本文采用聚苯乙烯(Polystyrene, PS)球自组装技术制备微纳结构作为SERS基底，同时研究SERS基底在检测方面的应用。
主要开展的工作和成果如下：（1）基于气液界面法搭建了一套实验装置可制备出大面积紧密排列的聚苯乙烯（PS）球自组装单层膜并平稳的转移到衬底上。
通过反应离子刻蚀法（RIE）制备了非紧密排列的PS球自组装掩膜，实验发现，PS球直径随着刻蚀时间的增加而线性减小，由此可精确控制PS球掩膜以及微纳结构的尺寸。
（2）利用刻蚀工艺对PS球进行表面粗糙化，并形成纳米金颗粒从而制备了大面积基于PS球结构的SERS基底。
此SERS基底灵敏度高、重复性好。
采用时域有限差分法证实纳米金颗粒可以提供更多的电磁热点，SERS基底的增强因子达到108，相对标准偏差为6.64%-13.84%。
将SERS基底用于检测孔雀石绿分子，检测限达到50ng/mL，特征峰在1175、1365和1617cm-1处的拉曼信号强度与孔雀石绿分子浓度的对数存在一定的线性关系。
（3）基于PS球自组装技术制备了大规模、周期性排列的纳米硅柱（SiNRs）阵列，然后在SiNRs阵列表面溅射形成纳米金颗粒制备而成SERS基底，实现了高灵敏度和高重复性的分子检测。
纳米金颗粒提供了更多的电磁热点，SERS基底的增强因子达到1010，相对标准偏差为6.68%-11.68%。
马拉硫磷的检测限达到1ng/mL，且特征峰在1284cm-1处的拉曼信号强度与马拉硫磷浓度的对数呈良好的线性关系。
角反射器教案
角反射器教案一、教学目标1、让学生了解角反射器的原理和结构。
2、使学生掌握角反射器的制作方法。
3、培养学生的动手能力和创新思维。
4、引导学生将角反射器的知识应用到实际生活中。
二、教学重难点1、重点角反射器的原理。
角反射器的制作过程。
2、难点理解角反射器的反射原理。
制作过程中的精度控制。
三、教学方法讲授法、实验法、讨论法四、教学准备1、多媒体课件，包括角反射器的原理示意图、应用实例图片和视频等。
2、制作角反射器的材料和工具，如平面镜、硬纸板、胶水、剪刀、尺子等。
3、实验设备，如激光笔、光屏等。
五、教学过程（一）导入新课（5 分钟）通过展示一些与角反射器相关的图片或视频，如汽车尾灯中的角反射器、月球上的角反射器等，引起学生的兴趣，然后提问：“你们知道这些角反射器是如何工作的吗？”从而引出本节课的主题——角反射器。
（二）讲授新课（20 分钟）1、角反射器的原理利用多媒体课件展示角反射器的结构示意图，讲解角反射器是由三个互相垂直的平面镜组成的。
结合光路图，详细讲解光线入射到角反射器后的反射路径，让学生明白无论光线从哪个方向入射，最终都会沿原方向反射回去。
2、角反射器的特点强调角反射器具有很强的反射能力，即使入射光线的角度发生变化，反射光线仍然能够沿着原来的方向返回。
举例说明角反射器在实际生活中的应用，如航海中的灯塔、道路交通安全设施等，让学生体会到角反射器的重要性。
（三）实验探究（15 分钟）1、实验目的：验证角反射器的反射原理2、实验器材：激光笔、角反射器模型、光屏3、实验步骤：将角反射器模型固定在桌面上。
用激光笔从不同的方向照射角反射器。
观察光屏上的光斑位置，记录实验现象。
4、实验结果分析：组织学生讨论实验现象，引导学生得出结论：无论激光笔从哪个方向照射角反射器，光斑都会出现在激光笔的入射方向上，验证了角反射器的反射原理。
（四）角反射器的制作（20 分钟）1、材料准备：平面镜（3 块）、硬纸板、胶水、剪刀、尺子2、制作步骤：用尺子在硬纸板上画出三个边长相等的正方形。
光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析
光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析光电经纬仪是在天文测量中使用的一种仪器，主要用于测量星等、星历、方位角、高度角以及各种其他的天文参数。
它的特点是具有高度的稳定性，能够提供准确的测量结果，是研究天文学的重要手段。
然而，由于光电经纬仪内部的机械结构复杂，主镜的形变很难被控制，会影响测量结果的准确性。
因此，对光电经纬仪主镜形变的有限元分析显得尤为重要。
有限元分析是一种以数学模拟的形式对物体进行结构分析的工具，能够有效地模拟光电经纬仪主镜形变的过程，使得相应的变形能够被准确地估计，为光电经纬仪测量结果的准确性提供保障。
首先，根据光电经纬仪的机械结构，采用有限元法将光电经纬仪用于模拟，构建经纬仪的三维有限元模型，模拟子仪器以及相关件在外力作用下的响应。
其次，建立有限元分析模型，计算光电经纬仪内各组件在不同外力作用下的变形量，综合考虑子仪器的变形量及其相互之间的影响，求出光电经纬仪主镜的变形量。
最后，将变形量转换为主镜形变的绝对量，用以表征光电经纬仪的非线性的形变情况。
通过有限元分析可以研究光电经纬仪主镜形变的力学状态，不仅可以准确地预测主镜的形变，还可以为经纬仪改进设计提供参考。
例如，为了解决光电经纬仪存在的非线性形变问题，可以根据有限元分析结果调整经纬仪结构，增加部件之间的弹性性，使得光电经纬仪在外力作用下能够得到更好的抗形变能力。
此外，有限元分析还可以用于研究影响光电经纬仪形变的外部因素，如外力的大小和方向，结构改变等，以便对光电经纬仪进行改进，使得结果更加准确。
总之，有限元分析能够有效地模拟光电经纬仪主镜的形变，为测量准确性提供保证，同时也可以为经纬仪的优化提供指导。
未来，在有限元分析的基础上，还应继续加强对经纬仪结构设计及变形研究的研究，在改进光电经纬仪的可靠性和精度方面发挥更大的作用。
研究光的反射和折射：自制简易光路反射板
光的波粒二 象性
光是一种电磁波
镜面反射规 律
由波动理论和几 何光学理论解释
光的折射
光线传播
从一种介质到另一种介质 折射率关键性质
折射定律
描述光的折射规律
折射率
介质对光传播速度影响
自制简易光路反 射板
自制简易光路反射板 所需材料包括镜面、 支架和光源。制作过 程包括固定镜面、设 置支架和调节光源位 置。通过实验，观察 反射角与入射角的关 系，测量折射角。
波长和频率的作 用
光的干涉现象
01 明暗条纹现象
光波相遇时产生的特殊效果
02 杨氏双缝干涉
构成干涉的基本类型之一
03 劈尖干涉
干涉现象的另一种展示形式
光的衍射现象
菲涅尔衍射
光通过孔隙或物体边缘发 生弯曲
菲涅耳-基尔霍夫衍 射
衍射现象的进一步分析
显微镜中的应用
通过衍射实现高倍率放大
望远镜中的应用
光的多普勒效应
频率变化
光源和观察者相 对运动
红移和蓝移
多普勒效应的具 体表现
重要应用
天文观测、激光 技术
光的光电效应
光的光电效应是光照射金属时产生电子的现象。 光电效应是量子力学的重要实验依据，广泛应用 于光电池、太阳能等领域。
光的光电效应
金属电子产 生
光照射金属时的 现象
广泛应用
光电池、太阳能 等领域
光的旋光现象在 化学和生物等领 域有着重要的应
用
旋光角度关 系
旋光角度与旋光 体的厚度和浓度
有密切关系
偏振光的检测与应用
01 检测方法
使用偏振片、偏振分束器等设备进行光的偏 振性质检测
02 应用领域
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自组装方法制作微角反射器的有限元分析周燕;王海龙;马传贺;邵凤兰【摘要】为了研究微光机电系统的元器件——微角反射器的制作理论和过程,采用自组装方法设计制作角反射器,通过光刻和选择性蚀刻确定角反射器图案,当把牺牲层腐蚀掉后,由品格失配双层结构形成的铰链在应力驱动下带动镜面发生旋转并最终达到平衡位置,从而完成自组装制作过程.采用适于求解弹性应力几何非线性问题的有限元方法进行了计算分析,并仿真得到不同角度的微反射镜和微立方箱.通过分别调整镜面和铰链尺寸、应变双层厚度和上盖层厚度,仿真分析了镜面的线度、角度和平整度对旋转角度的影响.结果表明,自组装方法是制作微光机电系统中3维微/纳米元器件的一种非常有效的方法,具有很好的发展前景.%In order to study the fabricating process and the theory of the micro opto-electronic mechanical system(MOEMS) comer-cube reflector (CCR) , the self-assembly method was used. The principle of self-assembly method fabricating MOEMS CCR was introduced. First, the shape of hinge can be patterned by lithography and the region of CCR plane was selectively etched. Secondly, using selective etching solutions, the sacrificial layer was exposed. Thirdly, after the sacrificial layer was etched, the CCR was self-assembled through the hinge drive the mirror bending up under the driven stress until reach an equilibrium position, which the driven stress was created by the lattice mismatch between the bilayer. Because finite element method was suitable to solve the nonlinear problems of elastic stress, it was applied to analysis and models the CCR, mirrors with different angels and a micro-cube box were also successfully simulated. Furthermore, by adjusting the size ofmirror and hinge, the thickness of the strain bilayer and the top layer, which affect the rotation angle of the mirror, simulation analysis was carried out. It was shown that the self-assembly method was one of very feasible method for fabricating 3-D micro/nano structures and had a good prospect of application.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)006【总页数】5页(P820-823,827)【关键词】光学器件;自组装方法;微光机电系统;角反射器;有限元法【作者】周燕;王海龙;马传贺;邵凤兰【作者单位】曲阜师范大学物理工程学院,曲阜273165;曲阜师范大学物理工程学院,曲阜273165;曲阜师范大学物理工程学院,曲阜273165;济宁学院物理系,曲阜273155【正文语种】中文【中图分类】TN409引言微光机电系统(micro opto-electronic mechanical system, MOEMS)是由机械、电子、光学及其它一些功能元件采用微小型加工技术[1]集成的微型智能系统,是近年来跨学科科学研究的前沿技术，在许多领域具有巨大的应用潜力[2-4]。
利用精细加工手段加工微/纳米结构和系统的微细加工技术是微光机电系统的基础，但一直以来制作3维微光机电系统元器件是一项十分复杂的工作。
最近，PRINZ等人提出自组装3维微/纳米结构的制作方法：利用晶格失配的外延双层间产生的应力驱动进行自组装制作3维微结构[5-7]。
此方法制作的3维结构是在生成2维薄膜结构的基础上采用自组装方法，通过晶格失配的外延双层制成的铰链带动镜面旋转最终达到平衡位置的自定位过程得到的。
目前也存在着其它制作微光机电系统元器件的工艺[8-10]，例如应用静电力的多用户微光机电系统工艺制作方法[9]，在静电力的作用下将镜面从起始位置准确吸引到预先设定的目标位置，但是这种方法一旦静电力消除，来自多晶硅弯曲梁或横梁的返回力就会将镜面带回起始位置的位置；对于采用绝缘衬底上的硅工艺手工辅助组装器件的方法[10]，镜面的角度准确性及稳定性较好，但需要采用人工组装操作；另外还有在绝缘衬底上的硅材料上利用光刻胶衬垫的表面张力来驱动自组装制成微角反射器(corner-cube leflector, CCR)的方法[11]，这种方法与这里采用的利用晶格失配双层间的内部应力的自组装方法类似。
但是，这些制作还需要利用翻转锁或者支撑结构来固定已经旋转到位的镜面。
本文中采用的利用晶格失配产生驱动应力的自组装方法来制作微角反射器的方法，整个过程不需要人为辅助组装，并且只要调整镜面晶格失配外延双层材料的厚度以及铰链的长度即可改变铰链旋转角度，在应力释放完全后已经发生的旋转变形不会被改变，不需要支撑和锁定结构即可固定在确定的位置。
当前在弹性力学问题中使用比较普遍的数值计算方法有：有限差分法、有限元法和边界单元法。
有限差分法是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。
其理论成熟，简便易行，比较适用于求解2维几何问题或平面问题。
但对于曲线边界或斜边界等产生的不等间距网格的处理比较麻烦，并且易于出错。
边界单元法只需要对边界离散，可以使问题的维数降低1维，但边界单元法形成的线性方程组的系数矩阵是满阵，一般不能保证正定对称性，所以在处理大规模问题时解题的规模受到限制；与以上两种方法相比，有限元法适应复杂的几何形状和边界条件，适于求解非线性、非匀质问题，有界区域无奇异性问题，对于狭长区域，有限元的精度高于其它两种方法，所以，本文中选用了有限元法对弹性应力几何非线性问题。
本文中研究了利用自组装方法制作微光机电系统元器件——微角反射器的过程和原理，并采用有限元法对其进行仿真分析。
最后在选用材料一定的情况下，通过调整影响镜面旋转角度的参量，成功仿真了不同角度的微反射镜和微立方箱，表明了利用晶格失配应力自组装方法制作微光机电系统元器件是非常有效的制作方法之一。
1 微角反射器的自组装原理和制作方法计算模拟中使用的微角反射器材料结构如图1所示。
对于材料结构的生长可以采用分子束外延在GaAs 基底上生长，依次分别为GaAs缓冲层，Al0.58Ga0.42As/AlAs合金牺牲层，In0.22Ga0.78As/GaAs应变双层结构，Al0.58Ga0.42As腐蚀阻挡层，GaAs/In0.22/Ga0.78As应变补偿层，最后是GaAs上盖层。
其中GaAs/In0.22Ga0.78As应变补偿层被用来平衡应变双层结构晶格失配产生的内部应力，从而使镜面部分从基底上脱离以后能够保持平坦，而不与铰链区同时发生弯曲[12]。
Fig.1 Material structure of MOEMS corner-cube reflector(CCR)图2a为材料结构的横截面。
材料结构生长完成后，首先根据预先设计好的铰链尺寸，确定铰链区的形状和位置，并利用光刻技术和湿法腐蚀将材料腐蚀到In0.22Ga0.78As/GaAs应变双层(见图2b)；接下来是确定镜面图案和位置，如图2c所示，镜面形状通过另一次的光刻和湿法腐蚀定义，这个过程中沿镜面区域边缘的材料将被一直腐蚀到基底，直至把牺牲层的边缘暴露出来；最后，使用腐蚀溶液对铰链和镜面部分的牺牲层进行选择性蚀刻。
在腐蚀牺牲层的同时，铰链区由于存在晶格失配的内应力效应，将带动镜面发生自动旋转并最终定位于曲率半径为ρ的平衡位置(见图2d)。
Fig.2 Schematic diagram of the CCR production processa—the cross section of structure b—define the hinge region c—define the mirror region(to facilitate the observation, zone 1 has not been drawn) d—self-assembled CCR假设GaAs层和In0.22Ga0.78As层的厚度、晶格常数和杨氏模量分别为d1, a1,E1; d2,a2,E2。
为估计曲率半径ρ的大小，采用的计算公式如下[13-16]：(1)镜面的旋转角度α[17]为：α=l/ρ(2)式中，d=d1+d2为应力双层的总厚度，ε=(a2-a1)/a1为晶格失配产生的初始应力(a2>a1)，t=E1/E2为两层之间的杨氏模量比，s=d1/d2为厚度比值，l为铰链长度。
由上面两个公式可以得知，铰链的旋转角度取决于选用的制作材料、晶格失配外延双层材料的厚度以及铰链的长度。
需要指出的是，(1)式是从1维几何公式中推导而来的[18]：要求垂直于横截面的尺寸，即铰链和镜面宽度必须非常小，甚至是无穷小，因此在(1)式中不包含任何曲率半径对所讨论的结构宽度的依赖。
虽然人们可以假设结构宽度是存在的，但这样的推导计算结果必然会产生与真实结果之间的差异。
2 有限元分析有限元法作为一种实用的数值分析方法近年来得到了工程界的广泛重视，成为分析连续体的强有力工具。
有限元法的思路在1960年被推广应用到求解弹性力学问题，并开始采用“有限单元法”术语。
在本文中的有限元分析，假设应力是弹性的，NIKISHKOV等人指出，晶格失配的外延双层引起的变形具有大旋转、大位移的特点[12,18]，这样就产生了几何非线性问题。