CN103293572A - Te偏振光谱选择性吸收器 - Google Patents

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Abstract

一种用于可见光波段（400-800nm）的TE偏振光谱选择性吸收器，该吸收器的顶部光栅的周期、占空比和厚度分别为310～314纳米、0.35～0.37、216～220纳米，中间电介质隔离层的膜厚为103～107纳米。当TE偏振光在-15度～15度范围内入射时，在中心波长561纳米附近一个较窄波段范围内的入射光将被吸收，随着结构参数和入射角度的变化，吸收光谱会发生较小地频移，峰值吸收波长会随之发生较小地频移，但是在各峰值波长处可始终保持近100%的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于20纳米。本发明TE偏振光谱选择性吸收器由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

Description

TE偏振光谱选择性吸收器
技术领域
本发明涉及光谱选择性吸收器，特别是一种用于可见光波段的TE偏振(电场矢量的振动方向垂直于入射面)光谱选择性吸收器。
背景技术
为了实现理想的光谱选择性吸收，人们已经提出了许多方法，比如说金属纳米粒子，超材料等等。在这些所提出的纳米结构中，一维光栅结构作为一种重要的并且结构简单的器件，可以用来增强吸收。与其它复杂结构的超材料相比，光栅基器件的主要优点是它的设计和制作都更加容易。通过优化，在谐振波长处可以实现近100%的完美吸收。基于光栅结构的光谱选择性吸收器的结构紧凑，在宽的入射角范围内具有很好的光学性能，因此，其作为新型的吸收器件具有广泛的应用前景。
C.Wu等人提出了一种简单的光栅基器件，可以用来实现近红外波段的超薄、宽角完美的吸收，该光栅基器件在谐振波长处可以实现近100%的吸收，并且在0～45°的入射角范围内对P偏振的吸收高于95%，S偏振的吸收高于90%【参见在先技术1：C.Wu et al.,Proc.SPIE7029,Metamaterials:Fundamentals and Applications,70290W(2008)】。之后，C.Wu等人又理论设计并且实验验证了一种简单的光栅基超材料宽角等离子体吸收器，其具有窄带光谱选择性吸收/辐射特性，可以用做亚衍射尺寸的红外像素【参见在先技术2：C.Wu et al.,Physical Review B84,075102(2011)】。J.A.Mason等人设计了一种用于中红外波段的光栅基超材料吸收器，具有极高的选择性和大的角度无关性（可以用于0-45°的入射角）【参见在先技术3：J.A.Mason et al.,Applied Physics Letters98,241105-241103(2011)】。M.Diem等人设计了一个完美的吸收/热辐射器件，在谐振波长处的峰值吸收为99.99%并且可以在很大的入射角范围内保持极高的吸收，除了一个较小的中心频率移动【参见在先技4:M.Diemet al.,Physical Review B79,033101(2009)】。尽管如此，到目前为止，基于光栅结构的选择性吸收器主要为TM偏振并且工作于红外波段。这是因为对TM偏振，可以通过超薄光栅结构来获得完美的选择性吸收，而超薄光栅结构的优点是其具有更大的角度无关性，特别是在红外区域（由于长波区域有着更大的波长-结构尺寸比）。
矩形光栅是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【参见在先技术5：M.G.Moharam et al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。但据我们所知，到目前为止，还没有人针对可见光波段给出在熔融石英衬底上制作的基于光栅结构的TE偏振光谱选择性吸收器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器。该选择性吸收器当TE偏振光在-15度～15度范围内入射时，在中心波长561纳米附近一个较窄波段范围内的入射光将被吸收，随着结构参数和入射角度的变化，吸收光谱会发生较小的频移，峰值吸收波长会随之发生较小的频移，但是在各峰值波长处可始终保持近100%的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于20纳米。因此，该光谱选择性吸收器具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器，特点在于其构成是在熔融石英片上依次蒸镀的银膜、熔融石英隔离层和银层，该银层刻出光栅，该光栅的周期、占空比和厚度分别为310～314纳米、0.35～0.37、216～220纳米，所述的熔融石英隔离层的膜厚为103～107纳米，所述的银膜的厚度大于100纳米。
所述的光栅的周期、占空比和厚度分别为312纳米、0.36和218纳米，中间电介质隔离层的膜厚为105纳米。
本发明的技术效果如下：
特别是当吸收器的顶部光栅周期、占空比和厚度分别为312纳米、0.36和218纳米，中间电介质隔离层的膜厚为105纳米时，当400-800nm波段的TE偏振光在-15度～15度的范围内入射到该光栅时，在中心波长561纳米附近一个较窄波段范围内的入射光将被吸收，在中心波长处的吸收率近似为100%，吸收谱线的半高全宽为18nm。
本发明具有使用灵活方便、峰值吸收效率高，吸收谱线的半高全宽较小等优点，是一种非常理想的吸收器件，利用电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的吸收器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构图。
图中，1代表区域1空气（折射率为n1），2代表区域2熔融石英（折射率为n2），3代表光栅，光栅层材料为银（Ag），4代表电介质隔离层，材料为熔融石英，5为底部金属层，材料为Ag，6代表TE偏振光入射。d为光栅周期，f为光栅占空比，h1和h2分别为光栅层和电介质隔离层的厚度度。
图2是本发明一个实施例的TE偏振光的吸收效率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的吸收效率随入射角和波长变化的二维图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构图。图中，区域1、2都是均匀的，分别为空气（折射率n1=1）和熔融石英（折射率n2=1.46），TE偏振光（对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面）以一定角度θ入射到该器件。由图可见，本发明TE偏振光谱选择性吸收器，其构成是在熔融石英片2上依次蒸镀的银膜5、熔融石英隔离层4和银层，该银层刻出光栅3，该光栅3的周期、占空比和厚度分别为310～314纳米、0.35～0.37、216～220纳米，所述的熔融石英隔离层4的膜厚为103～107纳米，所述的银膜5的厚度大于100纳米。
表1给出了本发明TE偏振光谱选择性吸收器一系列实施例，表中d为光栅周期，f为光栅占空比，h1和h2分别为光栅层和电介质隔离层的厚度，A为中心波长561纳米处的吸收效率，λmax表示各吸收光谱的峰值波长，Amax表示吸收光谱的峰值波长处的吸收效率。在图1的结构中，底部银模一般选择较厚（通常只要大于银在可见光波段的趋肤深度即可，银在可见光波段的趋肤深度一般为几十纳米，在本实施例中我们选择底部银模厚度为200nm，偏离这个厚度对器件的吸收效率没有影响），从而避免光透射出去。由于其可以阻挡光的透射（T=0），因而器件的吸收效率可以通过反射效率R计算得出：
A≡1-R   (1)
在制作本发明用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器时，按表1适当选择光栅的周期、占空比、厚度和电介质隔离层的厚度就可以在一定的入射角范围内得到高吸收效率的TE偏振选择性吸收器。
图2是本发明一个实施例的TE偏振光的吸收效率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的吸收效率随入射角和波长变化的二维图。
本发明的TE偏振光谱选择性吸收器，具有使用灵活方便、峰值吸收效率高、吸收光谱的峰值波长移动较小、吸收谱线的半高全宽较小等优点，是一种非常理想的吸收器件，利用电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的吸收器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
表1TE偏振光谱选择性吸收器一系列实施例光栅的参数
Figure BDA00003121821200041

Claims (2)

1.一种用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器，特征在于其构成是在熔融石英片（2）上依次蒸镀的银膜（5）、熔融石英隔离层（4）和银层，该银层刻出光栅（3），该光栅（3）的周期、占空比和厚度分别为310～314纳米、0.35～0.37、216～220纳米，所述的熔融石英隔离层（4）的膜厚为103～107纳米，所述的银膜（5）的厚度大于100纳米。
2.根据权利要求1所述的TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于所述的光栅（3）周期、占空比和厚度分别为312纳米、0.36和218纳米，所述的熔融石英隔离层（4）的膜厚为105纳米。
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