蛾眼表面有周期性排列的圆锥型突起结构,这种微小结构的尺寸一般小于光波长,所以蛾眼表面是一种亚波长结构。当光入射到这种纳米结构上时,由于光无法“看见”这种亚波长结构,可以将这种亚波长结构近似看成是一层具有对应的等效折射率的涂层。亚波长结构具有的一个重要特点就是优异的抗反射性能,并且在大角度宽光谱的范围内这种结构表现出的抗反射性能非常稳定。本论文提出了 一种光纤通信波段的纳米抗反射结构设计。采用了有限时域差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)优化模拟算法寻找能够显著降低从1250nm到1650nm波长范围内的反射率的蛾眼纳米结构。开发了一种多目标优化算法,将宽带反射率在0到30度的入射角范围内进行了优化。对结构的纳米柱的几何排列、半径、高度和周期组成的参数空间进行了完整的搜索。在波长为1550nm时,仿真得到接近零的反射率0.0287%。对该设计采用了纳米压印进行实验验证,对于最佳设计的样品,在1550nm处测量获得了低至0.157%的反射率。分析了模拟结果与实验测量之间的差异,并结合反射率对波长的变化进行了分析。本论文还介绍了抗反射纳米结构的研究背景和现状,介绍了蛾眼抗反射技术的原理及在光通信等领域的应用,阐述了针对抗反射纳米结构的几种数学建模方法并对比了几种方法之间的优劣,分析了传统的抗反射涂层的原理,介绍了纳米压印技术的特点以及在制备亚波长结构上的优势。本论文主要完成了以下六部分内容:(1)从蛾眼仿生技术出发,通过纳米柱阵列实现抗反射亚波长结构的设计与制备。通过仿真与实验测量相结合印证的方式,证明了本论文所设计的抗反射结构是一种在光通信系统中减小反射光对整个光路中光学元件的危害的切实有效的方法。(2)详细阐述和评估了多种不同的数学模型,这些模型可用于处理分析通过亚波长抗反射结构产生的电磁辐射。这些数学建模方法包括时域有限差分(FDTD)方法、传递矩阵方法(TMM,仅对薄膜建模)、严格的耦合波分析(也称为傅立叶模态方法RCWA/FMM)和有限元法(FEM)等,重点比较了 FDTD法和RCWA法,并选择了 FDTD法用于本研究的数学建模。(3)从理论上分析了单层λ/4增透膜、双层λ/4增透膜以及多层λ/4增透膜的原理并介绍了膜系反射率的计算方式。(4)分析了纳米压印技术的特点,介绍了三种典型纳米压印技术的工艺方法及其关键技术,详细介绍了本研究所采用的紫外固化压印技术流程,并应用紫外固化压印技术进行本研究所设计的蛾眼抗反射纳米结构的制备。(5)利用FDTD Solutions软件设计并优化了蛾眼抗反射结构,通过纳米压印技术制备出了所设计的抗反射结构;搭建了一套实验系统,通过测量光纤插损的方式间接测量了该结构的反射率,并与仿真结果进行了比对与印证。(6)针对蛾眼纳米结构的自清洁和抗污染特性,对本研究所设计的抗反射结构进行了相关的实验验证。