本發明屬于光動力學，具體涉及基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡及其設計與制備方法。

背景技術：

1、在星際探索領域，向鄰近星系發射宇宙飛船的夢想已經持續了數十年之久。在這場宏大的探索中，一項名為“突破射星計劃”的項目應運而生，其目標是在人類有生之年將航天器送入離我們最近的恒星-比鄰星。而將航天器送入恒星-比鄰星的目標的核心問題就是用激光驅動光帆。一旦實現，這一技術也將推動更多具有突破意義的太空探索任務。例如，太陽引力透鏡的最優焦距離地球548個天文單位(au)以上，因此，要充分發揮非凡的成像能力，就離不開光帆。而在如此遠的距離上，需要用光帆對其進行精確定位。

2、由于太空中由于沒有空氣帶來的阻力，即使是光帆產生的這種極其微小的推動力，也能夠幾乎沒有損耗地積累，且無需外加動力源或者借助燃料的化學能，可不斷積少成多，為小型航天器提供十分可觀的推動速度，因此光帆被認為是未來具有巨大應用潛力的推進技術。而傳統光帆由于其穩定性較差，在高速行駛的情況下無法有效捕捉系外行星的高分辨率圖像。

3、因此，本發明的核心在于一種開發基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡，它可以在激光束的推動下達到超高速，且能夠有效解決上述現有技術中存在的問題。

技術實現思路

1、(一)解決的技術問題

2、針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡及其設計與制備方法，基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡能夠在1300nm到近1550nm波段的寬帶反射率達到70％以上，并在被加速時帶寬可覆蓋多普勒頻譜，具有高反射率、寬帶響應、接收面積大且質量輕的優點，解決了傳統光帆穩定性較差，在高速行駛的情況下無法有效捕捉系外行星的高分辨率圖像的問題。

3、(二)技術方案

4、為實現上述能夠在1300nm到近1550nm波段的寬帶反射率達到70％以上，并在被加速時帶寬可覆蓋多普勒頻譜的目的，本發明提供如下技術方案：

5、本發明提供第一種方案：基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的設計方法，包括

6、步驟1：根據力學和電磁學理論分析高反射鏡動力來源，建立反射鏡的動力模型；

7、步驟2：在反射鏡的動力模型的基礎上，建立反射鏡的頻率和波長模型；

8、步驟3：基于多層介質等效波阻抗理論設計超表面寬帶介質反射鏡，確定反射鏡結構；

9、步驟4：基于深度學習方法設計反射鏡的雙層膜結構參數。

10、優選的，步驟1所述高反射鏡的動力模型的建立過程包括

11、步驟1.1：計算高反射鏡的輻射壓力；

12、步驟1.2：計算理想情況下完美反射鏡的輻射壓力

13、

14、其中，if-in為物體表面單位面積所受到的入射波輻射壓力，if-re為反射波輻射壓力，s為能流密度，c為真空中的光速；

15、步驟1.3：計算光子的輻射壓力，光子始終以光速移動，其能量為：

16、

17、其中，h是普朗克常數，ν是光子的振動頻率，λ是對應的波長，c為真空中光速。

18、優選的，步驟1.1所述的計算高反射鏡的輻射壓力的過程包括

19、電磁波的能流密度通過如下公式計算：

20、

21、其中，δe為總能量或電磁波的能流通量，δa為有效作用面積，δf電磁波作用于物體表面的輻射壓力，δx為該壓力有效做功距離；

22、考慮單位時間內的作用力，因此

23、x＝δt×c＝1×c＝c

24、因此，將電磁波的能流密度計算公式簡化為

25、

26、其中，if為物體表面單位面積所受到的鏡光帆的輻射壓力。

27、優選的，步驟2所述反射鏡的頻率和波長模型的建立過程包括

28、步驟2.1：建立高反射鏡工作頻帶波前到達接收器的頻率模型

29、

30、其中，fr,s為波前到達接收器的頻率；

31、

32、其中，β＝vc，fs為頻率，v為接收器速度，c為真空中光速；

33、步驟2.2：建立高反射鏡工作頻帶波前到達接收器的波長模型

34、

35、其中，λr為接收器接收到波的波長，λs為源發射波的波長。

36、本發明提供第二種方案：基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡，全介質反射鏡為若干個光帆單元周期延拓形成的雙層膜結構，光帆單元包括氮化硅層和硅層，氮化硅層上設置有若干個圓形孔，若干個圓形孔呈陣列分布于氮化硅層上，硅層上設置有圓形開口。。

37、優選的，氮化硅層的單厚度為400nm，圓形孔的開孔半徑為500nm；硅層的厚度為321nm。

38、優選的，所述全介質反射鏡在1300nm到1550nm范圍內實現高于70％的寬帶反射，在1330nm處峰值反射率超過90％。

39、本發明提供第三種方案：基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的制備方法，包括

40、步驟1：使用soi晶片為基層；

41、步驟2：在soi晶片兩側沉積高應力氮化硅層；

42、步驟3：將光致抗蝕劑s1813旋涂在芯片前表面作為保護層，同時將光致抗蝕劑az10xt旋涂在芯片后表面；

43、步驟4：曝光具有az10xt抗蝕劑的芯片的背面，并在芯片背面顯影；

44、步驟5：然后將芯片從硅載體晶片中取出并在熱丙酮和異丙醇中清洗，留下清潔的sili-con氮化物/硅雙層膜器件。

45、優選的，步驟2所述在soi晶片兩側沉積高應力氮化硅層的過程包括

46、步驟2.1：通過低壓化學氣相沉積在soi晶片的兩側沉積400nm高應力氮化硅層，并通過橢偏測量確定生長的氮化硅層厚度；

47、步驟2.2：在低壓化學氣相沉積工藝之后，對將soi晶片切割成等體積的芯片；從中挑選單個芯片，用電子束ar-p?6200旋涂它們的正面，然后使用raith?ebpg?5200以100kev加速電壓對樣品正面進行電子束光刻；

48、步驟2.3：再使用ch3f/o2混合氣體的氮化硅等離子體蝕刻之后，將光子晶體圓孔形圖案轉移到樣品正面氮化硅層。

49、優選的，步驟4所述曝光具有az10xt抗蝕劑的芯片的背面，并在芯片背面顯影的過程包括

50、步驟4.1：用heidelberg?instruments?laserwriter曝光具有az10xt抗蝕劑的芯片的背面，并顯影以形成直徑約為3毫米的環形開口；

51、步驟4.2：之后，使用相同的ch3f/o2等離子體蝕刻首先去除芯片背面的400nm氮化硅，然后使用深度反應離子硅蝕刻去除500μm硅；

52、步驟4.3：硅蝕刻完成時，通過光學顯微鏡觀察結果證實硅和二氧化硅之間的顏色對比，最后使用sf6氣體的各向同性硅蝕刻去除box層。

53、(三)有益效果

54、與現有技術相比，本發明提供了基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡及其設計與制備方法，具備以下有益效果：

55、1.本發明設計了一種基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡，所述反射鏡為雙層膜結構，由氮化硅光子晶體與超薄硅薄膜堆疊組成，能夠在1300nm到1550nm范圍內實現高于70％的寬帶反射，在1330nm處峰值反射率超過90％，結構可靠性強，具有較大的應用前景；

56、2.本發明設計了一種基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的設計方法，本方法基于多層介質等效波阻抗理論分析了所用結構能夠表現出更寬反射帶寬的可能性，通過深度學習方法將理論分析結果優化設計為具體結構參數，設計方法理論基礎成熟，優化過程耗時短，且有效保證了設計得到的基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的性能；

57、3.本發明設計了一種基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的制備方法，本方法以商用soi晶片為基底，依次通過低壓化學氣相沉積、雙面旋涂、si3n4蝕刻、翻轉晶片、激光寫入、sf6各向同性硅蝕刻、深硅刻蝕和熱丙酮和異丙酮清洗得到全介質超表面寬帶反射鏡，加工工藝精準可控，可有效保證得到的基于超表面的高效寬帶全介質反射鏡的性能。