單片式光學元件以及單片式衍射光學元件的設計方法技術

本發明專利技術公開了一種單片式光學元件以及單片式衍射光學元件的設計方法。所述單片式光學元件，用于對包含多個波長的入射光進行分色和聚焦，其包括一體成型的用于對所述入射光進行分色的光柵和用于對分色后的入射光進行聚焦的聚焦透鏡的組合。本發明專利技術的單片式光學元件通過將透鏡與光柵結合為一體，能夠很好地對入射光實現高效率的分色聚焦，避免了采用兩個獨立的光學元件，整個光學系統過于復雜、操作不便。本發明專利技術基于聚焦透鏡和閃耀光柵設計成具有基本相同的分色聚焦功能的單片式衍射光學元件，突破了現有技術中常規光學元件自身厚度的限制，使得設計的單片式衍射光學元件可以應用到更多的場合中，特別適合應用在太陽能電池中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光學領域，更具體地說，本專利技術涉及一種。
技術介紹
太陽能是一種無污染、取之不盡的可再生能源，對太陽能利用的一種重要方式就是采用太陽能電池把光能轉化成電能。太陽能電池的主要原理，以半導體為例，是利用半導體材料的光伏效應去吸收太陽光的能量并轉換成電能。當前制約太陽能廣泛利用的兩個主要因素就是低光電轉換效率和高成本。目前，主要通過對太陽光進行聚焦以減少使用昂貴的太陽能電池材料的方式來降低成本。而在實際的使用中，由于不同半導體材料具有的帶隙結構不同，能量低于帶隙的光無法被吸收轉換成電能，能量高于帶隙的光雖然被吸收，但超過帶隙的那部分能量將以熱的形式被浪費掉，因此，采用單一帶隙的半導體材料的太陽能電池轉換效率較低。為此，還需采用分色方案，即采用不同帶隙的半導體材料來分別吸收轉換太陽光各個波段的能量，是實現高光電轉換效率的重要途徑。基于以上思想，對太陽光進行分色和聚焦，是實現太陽能高效率、低成本的重要途徑。就分色而言，目前世界上主要有兩類研究方案，即串聯(又稱為“級聯”)和并聯(又稱為 “橫向”)方式。在串聯結構中，沿垂直方向自下往上依次生長不同的半導體材料，它們的帶隙能量逐漸增加，這種方式在業界通常稱為“串聯多結電池”。同時，還需要再提供一個高倍聚焦的光學系統以降低成本。這種“串聯”方案的缺點在于，不同半導體層之間需要考慮晶格匹配，不僅材料選擇性降低，而且材料之間需要具有隧道結，這需要采用分子束外延等技術進行生長，對工藝要求很高；此外，由于不同帶隙的半導體之間串聯連接，在實際工作時還需要電流匹配，效率亦有所損失。并聯結構能夠克服上述缺點，因而得到了更多關注。并聯結構是指采用光學系統對太陽光同時實現分色和聚焦，使不同波段的太陽光聚焦到不同的區域，然后在對應區域上放置對該波段能量轉換效率最高的半導體材料，各半導體材料獨立工作。目前已知的并聯結構實現方案主要有兩種，第一種是利用二相色鏡(Dichroic mirror)對太陽光進行分色，將太陽光分成長波和短波兩個波段成分。為獲得較高的分色效率，這種二相色鏡通常需要鍍膜達到十幾層、甚至幾十層，技術上很困難。第二種是用透鏡加棱鏡組合分光的方案，這種方案使得光學器件體積龐大。目前存在的并聯結構缺點在于光學系統的成本會非常高。本申請人在中國專利技術專利申請No. 201110351978. 9的題為“一種衍射光學元件及其設計方法和在太陽能電池中的應用”中公開了一種能夠對包含多個波長的入射光同時進行分色和聚焦的衍射光學元件的設計方法，其中使用了所謂的“厚度優化算法”來提高所設計的衍射光學元件的衍射效率。在此也全文引入該申請作為參考。該設計方法包括步驟一對于每一個波長計算衍射光學元件當前采樣點處的針對該波長的調制厚度；由此對于多個波長相應地獲得多個調制厚度；4步驟_.:對于每個調制厚度獲得一系列相互等效的備選調制厚度；步驟三從每個波長的備選調制厚度中選擇一個調制厚度，根據所選的對應所述多個波長的多個調制厚度來確定衍射光學元件的當前采樣點的設計調制厚度。其中的步驟二和步驟三就是“厚度優化算法”，其實質上是擴展了調制厚度的可選范圍，并在擴展的可選范圍內選擇一個能夠更好地對多個波長進行折衷的設計調制厚度。在該專利申請中，在步驟一中需要利用楊顧算法等方法來獲得調制厚度，這通常需要設計復雜的計算機程序并通過大量的迭代過程來實現，這是一個非常耗時的過程。而且，其計算過程和結果還可能受到迭代過程的初始賦值的影響。
技術實現思路
為了克服上述現有技術中的至少一個缺陷，本專利技術的一個目的是在于提供一種單片式光學元件。本專利技術的另一個目的在于提供一種基于該單片式光學元件設計單片式衍射光學元件的方法。本專利技術的又一個目的是提供一種基于常規光學元件設計衍射光學元件的方法。按照本專利技術的一個方面，提供了一種單片式光學元件，用于對包含多個波長的入射光進行分色和聚焦，其包括一體成型的用于對所述入射光進行分色的光柵和用于對分色后的入射光進行聚焦的聚焦透鏡的組合。優選地，所述光柵為透射式閃耀光柵，并且所述透射式閃耀光柵構造成將各個波長的入射光分別集中在預定的單個衍射級上。所述光柵可以以光刻的方式成形在所述聚焦透鏡的一側。按照本專利技術的另一個方面，提供了一種單片式衍射光學元件的設計方法，基于用于對包含多個波長的入射光進行分色的光柵和用于對分色后的入射光進行聚焦的聚焦透鏡的多個采樣點處的厚度來獲得所述單片式衍射光學元件的對應多個采樣點處的設計調制厚度；所述單片式衍射光學元件具有與所述光柵和所述聚焦透鏡的組合基本相同的光學功能；對于所述光柵和所述聚焦透鏡的每個采樣點，所述設計方法包括步驟一對于所述多個波長中的每一個波長，根據當前采樣點處所述聚焦透鏡的厚度獲得針對對應波長在相位調制方面等效的等效調制厚度，所述等效調制厚度在衍射光學元件尺度范圍內；由此，對于所述多個波長，對應地獲得多個等效調制厚度；步驟二 將所述多個等效調制厚度分別加上當前采樣點處所述光柵的厚度，以對應地獲得當前采樣點處的多個初始調制厚度；步驟三對所述多個初始調制厚度采用厚度優化算法確定所述單片式衍射光學元件的對應采樣點處的設計調制厚度。按照本專利技術的又一個方面，提供了一種單片式衍射光學元件的設計方法，基于用于對包含多個波長的入射光進行分色的光柵和用于對分色后的入射光進行聚焦的聚焦透鏡的多個采樣點處的厚度來獲得所述單片式衍射光學元件的對應多個采樣點處的設計調制厚度；所述單片式衍射光學元件具有與所述光柵和所述聚焦透鏡的組合基本相同的光學功能；對于所述光柵和所述聚焦透鏡的每個采樣點，所述設計方法包括步驟一對于所述多個波長中的每一個波長，根據當前采樣點處所述聚焦透鏡的厚度獲得針對對應波長在相位調制方面等效的等效調制厚度，所述等效調制厚度在衍射光學元件尺度范圍內；由此，對于所述多個波長，對應地獲得多個等效調制厚度；步驟二 對所述多個等效調制厚度采用厚度優化算法確定透鏡設計調制厚度；步驟三將所述透鏡設計調制厚度加上當前采樣點處所述光柵的厚度以獲得所述單片式衍射光學元件的對應采樣點處的設計調制厚度。在上述的設計方法中，所述等效調制 厚度針對對應波長的調制相位的范圍為在上述的設計方法中，所述聚焦透鏡可以為多個，分別用于對所述多個波長中對應波長的入射光進行聚焦。在一種實施方式中，所述厚度優化算法包括根據每一所述初始調制厚度獲得對應的一系列備選調制厚度；其中，所述備選調制厚度被限制在預定的厚度范圍內。在一種實施方式中，所述厚度優化算法包括根據每一所述等效調制厚度獲得對應的一系列備選調制厚度；其中，所述備選調制厚度被限制在預定的厚度范圍內。在上述的設計方法中，所述預定的厚度范圍可以根據光刻加工工藝水平來確定。 所述光柵可以為透射式閃耀光柵，其將各個波長的入射光分別集中在預定的單個衍射級上。按照本專利技術的再一個方面，提供了一種上述設計方法設計的單片式衍射光學元件。作為優選，所述單片式衍射光學元件是用光刻方法制成的。本專利技術還提供了一種太陽能電池，包括上述單片式光學元件或者上述的單片式衍射光學兀件。本專利技術也還提供了一種基于常規光學元件設計衍射光學元件的方法，用于根據所述常規光學元件的多個采樣點處的厚度獲得所述衍射光學元件的對應多個采樣點處的設計調制厚度；所述常規光學元件具有對包本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單片式衍射光學元件的設計方法，基于用于對包含多個波長的入射光進行分色的光柵和用于對分色后的入射光進行聚焦的聚焦透鏡的多個采樣點處的厚度來獲得所述單片式衍射光學元件的對應多個采樣點處的設計調制厚度；所述單片式衍射光學元件具有與所述光柵和所述聚焦透鏡的組合基本相同的光學功能；對于所述光柵和所述聚焦透鏡的每個采樣點，所述設計方法包括：步驟一：對于所述多個波長中的每一個波長，根據當前采樣點處所述聚焦透鏡的厚度獲得針對對應波長在相位調制方面等效的等效調制厚度，所述等效調制厚度在衍射光學元件尺度范圍內；由此，對于所述多個波長，對應地獲得多個等效調制厚度；步驟二：將所述多個等效調制厚度分別加上當前采樣點處所述光柵的厚度，以對應地獲得當前采樣點處的多個初始調制厚度；步驟三：對所述多個初始調制厚度采用厚度優化算法確定所述單片式衍射光學元件的對應采樣點處的設計調制厚度。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊國楨，王進澤，葉佳聲，黃慶禮，孟慶波，張巖，張東香，張秋琳，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：