CN103323896A - 基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置，所述装置包括基底、依次位于基底上的第一金属层、绝缘体层和第二金属层，所述第一金属层、绝缘体层和第二金属层构成若干等离子谐振腔，所述等离子激元光谱吸收装置具有若干基于纳米压印技术压印而成的压缩腔，压缩腔之间形成有若干光栅结构，所述光栅周期至少在沿X方向或Z方向或同时两个方向上是线性啁啾的。本发明通过适当调整光栅啁啾系数和上金属层/绝缘体层/下金属层谐振腔的模压深度来实现和拓宽整个禁带的带宽，给实现低且平坦的反射禁带提供了可能。在相位匹配和亚波长尺寸的限制条件下，通过适当的设计，可以实现宽带的近完美吸收。

Description

基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置

技术领域

本发明涉及表面等离子激元谐振腔技术领域，特别是涉及一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

背景技术

金属通常被用作高效率的反射器。但是微纳米结构的金属表面却可以在很大的电磁波范围内（从可见光，红外到微波）变成为高效率的吸收体。这在过去的几年内激起了巨大的兴趣。在2008年，Landry et al提出并证实了一种几乎完全吸收的超材料结构。它由两个超材料共振腔构成。但是，在实际应用中它有一个显著的障碍，由基底分隔的两个平行面上的结构不相同，一面是电环共振腔，另一面是一条切片。在2009年Hu et al通过压波长孔阵列和厚金属层实现了在可见频域的近完美吸收，在642.7nm和486.4nm处可同时观察到两个尖锐的窄带吸收峰。在2010年，Hao et al对光学频率下超薄广角度亚波长超材料吸收体做了实验报道。实验结果显示，在1.58μm波长附近出现半值全宽为0.25μm吸收率为88%的窄带吸收峰。Liu et al也做了类似的研究，在正入射下，1.6μm波长处出现一个半值全宽为0.17μm吸收率为99%的与偏振无关的吸收峰，在宽角度入射范围内，吸收峰依旧保持很高。Liu et al在2010年提出并验证了一种空间和频率可选择的近完美吸收超材料，这种超材料用到了由Al₂O₃分隔的十字金属阵列和金属基底构成的共振腔。他们在实验上做出了一个红外范围内6μm附近处吸收率为97%半值全宽为～1um空间依赖的吸收体。最近，Mao et al提出了一种类似的结构用于多色红外探测的等离激元吸收体。

上面提到的超材料吸收体由于电磁共振结构的线宽度限制获得的都是窄的光谱带宽。然而在很多应用中，需要在宽的光谱波带上有完美吸收。在2009年Hu et al提出了一种利用混合激元耦合拓宽可见频域内近完美吸收带宽的方法。在其中，金属层中有不同大小的矩形孔周期性的交替排列，可观察到半值全宽为～60nm的近完美吸收。Koechilin提出了一种拓宽吸收带宽的方法，在同一个亚波长周期内融入两个不同宽度的金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器。两个金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器的结合得到了吸收率90%带宽0.7μm的吸收峰，与单个金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器0.2μm的带宽相比，实现了三倍以上的拓宽。Hendrickson提出了一种复用等离子激元金属结构的中红外宽带近完美吸收体，这种复用结构的红外吸收体在3.2-3.7μm范围内0.5μm的带宽上吸收了98%的入射光，比中红外波段其它通常无复用的结构宽一点。在2012年，Bouchon进一步提出了在同一亚波长周期内拼放四个不同宽度的金属-绝缘体-金属共振腔实现宽波带全方位的吸收。但是这种结构在8.5μm波长处2.5μm波带范围内仅吸收了70%的入射光，这是因为波带和吸收率的相互制约，使得在工作波长范围内的出现了大的波动。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置，所述装置包括基底、依次位于基底上的第一金属层、绝缘体层和第二金属层，所述第一金属层、绝缘体层和第二金属层构成若干等离子谐振腔，所述等离子激元光谱吸收装置具有若干基于纳米压印技术压印而成的压缩腔，压缩腔之间形成有若干光栅结构，所述光栅周期至少在沿X方向或Z方向或同时两个方向上是线性啁啾的。

作为本发明的进一步改进，所述压缩腔的压印深度小于第一金属层、绝缘体层和第二金属层的厚度之和。

作为本发明的进一步改进，所述各个光栅宽度在沿X方向或Z方向或同时两个方向上满足线性啁啾关系：

Λ_i=Λ₀(1+C_g*i),i=1,2,3,···，

其中，Λ₀代表第一个光栅的宽度，Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g代表啁啾系数，C_g取值范围为0.01～0.1，i代表第i个光栅，Λ_i代表第i个光栅的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述第二金属层的厚度大于第一金属层的厚度。

作为本发明的进一步改进，所述基底为PMMA基底，第一金属层和/或第二金属层包括金属Au、Ag、Al，绝缘体层包括Ge、Si。

作为本发明的进一步改进，所述装置包括若干单元结构，线性啁啾方向上单元结构的周期小于工作波长。

作为本发明的进一步改进，所述装置包括若干单元结构，一维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4～9个等离子谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

作为本发明的进一步改进，所述装置包括若干单元结构，二维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4×4～9×9个谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

与现有技术相比，本发明光栅周期采用线性啁啾使得共振波长呈现线性分布，并覆盖较大的光谱范围。通过适当调整光栅啁啾系数和上金属层/绝缘体层/下金属层谐振腔的模压深度来实现和拓宽整个禁带的带宽，给实现低且平坦的反射禁带提供了可能。在相位匹配和亚波长尺寸的限制条件下，通过适当的设计，可以实现宽带的近完美吸收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明一实施方式中压印前的金属-绝缘体-金属三层谐振腔结构示意图，图1b为本发明一实施方式中压印后的金属-绝缘体-金属三层谐振腔结构示意图；

图2a～2h为本发明一实施方式中模压深度为0、0.05μm、0.195μm、0.34μm、0.49μm、0.54μm和0.6μm时，基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置结构示意图和相应的反射透射曲线图；

图3为本发明一实施方式中一个单元五个谐振腔相位匹配优化前后的近完美吸收体的反射波谱图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置，包括基底、依次位于基底上的第一金属层、绝缘体层和第二金属层，第一金属层、绝缘体层和第二金属层构成若干等离子谐振腔，等离子激元光谱吸收装置具有若干基于纳米压印技术压缩的压缩腔，压缩腔之间形成有若干光栅结构，光栅至少在沿X方向或Z方向或同时两个方向上是线性啁啾的。

优选地，压缩腔的压缩深度小于第一金属层、绝缘体层和第二金属层的厚度之和。

优选地，各个光栅宽度在沿X方向或Z方向或同时两个方向上满足线性啁啾关系：

Λ_i=Λ₀(1+C_g*i),i=1,2,3，···，

其中，Λ₀代表第一个光栅的宽度，Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g代表啁啾系数，C_g取值范围为0.01～0.1，i代表第i个光栅，Λ_i代表第i个光栅的宽度。

优选地，第二金属层的厚度大于第一金属层的厚度。

优选地，基底为PMMA基底，第一金属层和/或第二金属层包括金属Au、Ag、Al，绝缘体层包括Ge、Si。

优选地，该装置包括若干单元结构，线性啁啾方向上单元结构的周期小于工作波长。

优选地，该装置包括若干单元结构，一维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4～9个等离子谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

优选地，该装置包括若干单元结构，二维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4×4～9×9个谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

参图1a所示，本发明一优选实施方式中，第一金属层2、绝缘体层3和第二金属层4坐落在PMMA基底1上，第一金属层2、绝缘体层3和第二金属层4构成金属-绝缘体-金属谐振腔，第二金属层4的厚度大于第一金属层2的厚度，第二金属层4足够厚以至于从上面入射的光无法透过，即T=0，所以吸收率A=1-R-T=1-R，这里R代表反射率。其中，第一金属层2或第二金属层4可以为金属Au、Ag、Al等，绝缘体层3可以为Ge、Si等。优选地，第一金属层2和第二金属层4选取金属Au，绝缘体层3材料取为锗（Ge）。第一金属层2、绝缘体层3和第二金属层4的厚度分别为50nm、290nm和200nm。

为了研究所说装置的的特殊性质，我们通过压缩间隔内的金属-绝缘体-金属结构来观察该装置在不同压缩深度下的反射特性，如图1b所示。单元结构的周期设定为P=6μm，每个周期内包括5个金属-绝缘体-金属谐振腔，模压深度表示为h，光栅脊的宽度沿着X轴方向是呈线性啁啾的，而在Z轴方向是无穷大。脊宽度可以表达为：

Λ_i=Λ₀(1+C_g*i),i=1,2,3,···，

这里Λ₀代表第一个脊的宽度，Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g代表啁啾系数，C_g取值范围为0.01～0.1，i代表第i个脊，Λ_i代表第i个光栅的宽度。这些脊之间的间隔表示为△_i。

该结构的反射特性通过FDTD解决方案（加拿大的Lumerical公司）进行模拟计算。入射光的波长范围选为5到15μm，这是一个典型的中红外区域。入射光的电场矢量是沿着X轴方向的，而垂直于光栅矢量方向的（即垂直于光栅脊方向的）。

图2表示不同模压深度对反射特性的影响。光栅脊宽度按照线性啁啾增加，分别为0.8μm、0.85μm、0.9μm、0.95μm、和1.0μm。他们之间的间隔即压缩的金属-绝缘体-金属结构的宽度固定为0.3μm，即△₁=△₂=△₃=△₄=0.3μm。从图2中，我们可以看出，反射特性对压印深度非常敏感。

如图2a、2b所示，当模压深度为0或0.05μm，结构基本上没有被压缩，最上层的金属Au也近似连续，这时候相应的反射率为百分之百，几乎所有的光都被反射掉了；

如图2c所示，当模压深度为0.195μm时，间隔内的上层金属被压在五个光栅脊金属-绝缘体-金属谐振腔结构的绝缘层的正中心，这时反射率开始下降，反射曲线中出现波折；

如图2d所示，如果继续下压，模压深度变为0.29μm时，间隔内的上层Au的下表面被压到了五腔谐振腔结构中下层Au的上表面，这时高的吸收率和宽的带宽开始出现；

如图2e所示，当模压深度变为0.34μm时，间隔内的上层Au的上表面表面被压到了五腔谐振腔结构中下层Au的上表面，这时反射曲线的带宽大约为2.5μm。

如图2f所示，当模压深度变为0.49μm，间隔内的上层Au的下表面被压到了五腔谐振腔结构中下层Au的下表面，这种宽带高吸收仍然持续；

这种宽带吸收将一直持续到间隔内的上层Au的上表面压缩到五腔谐振腔***结构中下层Au的下表面，间隔内上层金属即将离开五腔谐振腔结构，即模压深度为0.54μm时，如图2g所示，这也就是说，如果底层金属足够厚，这种结构将在很大的模压深度范围内保持高吸收和宽带宽，这对制作是非常有利的，可以允许较大的制作误差；

如图2h所示，当压缩继续，比如说模压深度为0.6μm时，间隔内的金属-绝缘体-金属模型已经被完全压缩在基底PMMA中，反射曲线变得糟糕，透射曲线也不再保持为近零值，完美吸收结构消失。

从图2中，我们可以看出，可以通过纳米压印啁啾光栅同时实现高吸收和宽带宽。

本发明基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置通过巧妙的设计使得在一个宽带上强烈地吸收，而同时对禁带外的其他波段有非常高的反射率。当间隔内的上层Au的上表面与五腔谐振腔结构中下层Au的上表面相平，及模压深度h=0.34μm时，如果谐振腔之间的间隔固定在0.3μm，即△₁=△₂=△₃=△₄=0.3μm时，如图3中黑色虚线所示，反射曲线的禁带区域内呈现一个较大的波动。这背后的机理是五个啁啾的谐振腔产生的反射峰没有进行相位匹配。为了获得一个低且平坦的反射禁带，与五个线性啁啾谐振腔之间的间隔相关的相位条件必须进行优化。

在获得低且平坦的反射禁带的目标下，我们通过最小化法则和FDTD软件数值模拟来完成优化过程。图3表示当一个单元周期内有五个线性啁啾谐振腔时，这五个谐振腔的宽度从0.8μm开始以0.05μm的步长线性啁啾，绝缘体的厚度即腔长为0.29μm，模压深度此时为0.34μm。从图3中我们可以看出，粗黑实线呈现出了一种低且平坦的反射禁带的状态，这是一种最优化的结果，这是最优化间隔为△₁=0.6μm，△₂=0.2μm，△₃=0.23μm，和△₄=0.24μm。可以看到，在反射禁带区域出现的高且不平坦的波动可以通过相位匹配被有效的抑制下去。这种最优化装置得到了8.5μm处2.5μm的宽带宽和94%的平均吸收率，完成了宽带宽和高吸收率的同时实现。

通过观察由上层金属光栅和下层厚且均匀金属构成的共振腔中的等离子激元波共振也可以进一步理解其中的物理机理。计算5个谐振腔时的坡印廷矢量的强度分布。在单波长7.55μm（最优化曲线的第一个极小值处的波长）照射时的坡印廷矢量的强度分布中，只有0.8μm宽的谐振腔中发生了等离子激元波共振。观察结果给亚波长结构吸收机制提供了直接证据。照射波长分别为7.96μm、8.43μm、8.96μm和9.35μm，最优化曲线的第二个、第三个、第四个和第五个极小值处的波长，此时分别对应0.85μm、0.9μm、0.95μm和1.0μm宽的谐振腔发生等离子激元共振。当入射波长为禁带之外的波长时，在单波长12μm照射时的坡印廷矢量强度分布中，谐振腔中的等离子激元共振以及能量局域现象消失，这时这种结构类似于一面具有高反射率的镜子。

本发明中线性啁啾方向上单元结构的周期需小于工作波长。工作波长即是指共振吸收峰的位置，本发明中必须满足亚波长的工作条件。

本发明中基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置可以为一维周期式啁啾结构或二维周期式啁啾结构。一维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4～9个等离子谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1；二维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4×4～9×9个谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

由上述技术方案可以看出，本发明基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置通过下纳米压印技术获得光栅间隔内的金属-绝缘体-金属结构，使制作变得容易。五腔***可以在波长～8.5μm处同时取得2.5μm宽的半值全宽和94%高的平均吸收率。如果下层连续金属非常厚，这种亚波长结构将在很大的压缩范围内，得到宽带的近完美吸收，这给周期式啁啾的亚波长超宽带完美吸收体的批量制作生产提供了一种实际可行的方法。

本发明光栅周期采用线性啁啾使得共振波长呈现线性分布，并覆盖较大的光谱范围。通过适当调整光栅啁啾系数和上金属层/绝缘体层/下金属层谐振腔的模压深度来实现和拓宽整个禁带的带宽，给实现低且平坦的反射禁带提供了可能。在相位匹配和亚波长尺寸的限制条件下，通过适当的设计，可以实现宽带的近完美吸收。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置，所述装置包括基底、依次位于基底上的第一金属层、绝缘体层和第二金属层，所述第一金属层、绝缘体层和第二金属层构成若干等离子谐振腔，其特征在于，所述等离子激元光谱吸收装置具有若干基于纳米压印技术压印而成的压缩腔，压缩腔之间形成有若干光栅结构，所述光栅周期至少在沿X方向或Z方向或同时两个方向上是线性啁啾的。

2.根据权利要求1所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述压缩腔的模压深度小于第一金属层、绝缘体层和第二金属层的厚度之和。

3.根据权利要求1所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述各个光栅宽度在沿X方向或Z方向或同时两个方向上满足线性啁啾关系：

Λ_i=Λ₀(1+C_g*i),i=1,2,3,···，

其中，Λ₀代表第一个光栅的宽度，Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g代表啁啾系数，C_g取值范围为0.01～0.1，i代表第i个光栅，Λ_i代表第i个光栅的宽度。

4.根据权利要求1所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述第二金属层的厚度大于第一金属层的厚度。

5.根据权利要求1所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述基底为PMMA基底，第一金属层和/或第二金属层包括金属Au、Ag、Al，绝缘体层包括Ge、Si。

6.根据权利要求3所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述装置包括若干单元结构，线性啁啾方向上单元结构的周期小于工作波长。

7.根据权利要求6所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述装置包括若干单元结构，一维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4～9个等离子谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

8.根据权利要求6所述的表面等离子激元光谱吸收装置，其特征在于，所述装置包括若干单元结构，二维周期式啁啾结构中每个单元结构内包括4×4～9×9个谐振腔，线性啁啾方向上单元结构内Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g取值范围为0.01～0.1。

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