CN105652354A - 基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器 - Google Patents

基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器 Download PDF

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Abstract

一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，包括自上而下的金属-电介质多层光栅、金属薄膜反射层和电介质衬底；所述的金属-电介质多层光栅的周期d为1640～1645纳米，该金属-电介质多层光栅由N对金属光栅和电介质光栅叠加组成，且占空比由上而下逐渐增加。当TE和TM偏振光垂直入射时，其在红外波段一个较宽的波带范围的入射光将被吸收，偏振无关吸收率超过90％的带宽大于2微米，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很大的角度无关性，可以广泛用于热光伏器件和红外隐身等领域。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

基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器
技术领域
本专利涉及宽带光谱吸收器，特别是一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器。
背景技术
一般来说，基于亚波长结构的光谱吸收器分为两种：一种是在较窄的带宽内有着理想的吸收，主要用于设计高灵敏度的探测器、热成像器件以及窄带吸收/热辐射器，常称为选择性吸收器。另一种是在较宽的波带范围内均有着很高的吸收，称为宽带吸收器，它主要应用于太阳能电池、热光伏器件和隐身等领域。目前，对基于亚波长结构的宽带吸收研究已经成为一个热点方向。
但是目前的吸收器都有着吸收带宽窄和对偏振性敏感的缺陷。为了扩展吸收带宽，一个简单和有效的方法就是在吸收器的一个周期内采用多重的谐振结构，它们在各自的谐振波长处可以实现近100％的理想吸收，并且它们的谐振波长很接近，吸收带宽重叠，从而形成宽带吸收【在先技术1：C.Wuetal.,Opt.Lett.37,308–310(2012)】。由于在一个亚波长周期内所能混合的谐振单胞的数量有限，因而该方法所拓展的带宽仍然是有限的。为了进一步的扩展吸收带宽，人们提出并实验验证了各向异性超材料的概念。Cui等人提出了一种锯齿形的各向异性超材料平板TM偏振吸收器，在垂直入射时，其在3到5.5μm的带宽范围内吸收率高于95％【在先技术2：Cui,Y.etal.,NanoLett.12,1443-1447(2012)】。Ji等人实际实现了一个基于多层金属-电介质薄膜的双曲吸收器，其宽带吸收可以再近红外和中红外光谱范围内自由调谐【在先技术3：Ji,D.etal.,Sci.Rep.4,4498(2014)】。Zhou等人设计了一个基于锥形金属-电介质多层结构的TM偏振宽带吸收器，其在可见光和红外波段均有着较高的吸收【在先技术4：JingZhouetal.,ACSPhotonics,1(7),618–624(2014)】。尽管如此，这些基于一维各向异性超材料的宽带吸收器有一个共同的缺陷，即它们对入射光的偏振态敏感，这极大地限制了它们的潜在应用。Ding等人提出了一种基于二维周期性金属-电介质多层四边形的截锥金字塔型超宽带吸收器，其在8GHz到14GHz范围内对于垂直入射的光有着近100％的偏振无关吸收【在先技术5：Ding,Fetal.Appl.Phys.Lett.100,103506(2012)】。Liang等人提出了一种基于二维金字塔型的超材料偏振无关吸收器，其在整个红外波段范围内有着极高的宽带吸收【在先技术6：QiuqunLiangetal.,Adv.Opt.Mater.1,43–49(2013)】。尽管如此，这些基于二维各向异性超材料的偏振无关宽带吸收器很难制作，这同样限制了其潜在的应用。
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【在先技术7：M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，当TE和TM偏振光垂直入射时，其在红外波段一个较宽的波带范围的入射光将被吸收，偏振无关吸收率超过90％的带宽大于2微米，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很大的角度无关性。因此，该偏振无关宽带吸收器具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，包括自上而下的金属-电介质多层光栅、金属薄膜反射层和电介质衬底，其中金属-电介质多层光栅的周期d为1640～1645纳米，该金属-电介质多层光栅由N对金属光栅和电介质光栅叠加组成，且占空比由上而下逐渐增加，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为5.5～6.5纳米和257～259纳米，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为100～105纳米和1595～1600纳米，金属薄膜反射层的厚度大于光在红外波段的趋肤深度。
最佳的偏振无关宽带吸收器的光栅周期为1643纳米，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为6纳米258纳米，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为103纳米和1599纳米，金属薄膜反射层的厚度为200纳米。
本发明的技术效果如下：
当吸收器的光栅周期为1643纳米，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为6纳米258纳米，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为103纳米和1599纳米，金属薄膜反射层的厚度为200纳米时：
(1)当TE和TM偏振光垂直入射时，其在红外波段一个较宽的波带范围的入射光将被吸收，偏振无关吸收率超过90％的带宽大于2微米，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很大的角度无关性。
(2)具有使用灵活方便、偏振无关吸收带宽较宽，偏振无关宽带吸收的角度无关性好等优点，是一种非常理想的偏振无关宽带吸收器件，利用光学全息记录技术或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，制作后的吸收/辐射器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明的用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器的几何结构。
图中，1代表区域1(折射率为n1)，2代表金属-电介质多层光栅，3代表金属薄膜反射层，材料与金属-电介质多层光栅2中金属光栅一样，4代表电介质衬底(折射率为n2)，材料为熔融石英。TE偏振光(电场方向沿着y轴)和TM偏振光(磁场方向沿着y轴)从区域1入射该器件。d为光栅周期，锥形金属-电介质多层光栅中金属光栅和电介质光栅的厚度分别为h1和h2，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为wt和wb，相应的占空比分别为ft＝wt/d和fb＝wb/d，光栅的宽度或占空比从底部的wb(fb)随机变化到顶部的wt(ft)，并且下面的光栅宽度或占空比大于上面的。
图2是本发明要求范围内一个实施例的TE和TM偏振吸收效率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的TE偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图。
图4是图2中实施例的TM偏振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是本发明的用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器的几何结构。图中，区域1、4都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和熔融石英(折射率n2＝1.45)。TE偏振光(电场方向沿着y轴)和TM偏振光(磁场方向沿着y轴)以一定角度θ入射到该器件。
由图可见，本发明的用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，包括自上而下的金属-电介质多层光栅2,金属薄膜反射层3，以及电介质衬底4，其中金属-电介质多层光栅由N对金属光栅21和电介质光栅22组成，占空比由上而下逐渐增加，光栅周期d为1640～1645纳米，金属光栅的厚度h1和电介质光栅的厚度h2分别为5.5～6.5纳米和257～259纳米，顶部光栅的宽度wt和底部光栅的宽度wb分别为100～105纳米和1595～1600纳米，金属薄膜反射层3的厚度大于光在红外波段的趋肤深度。
在如图1所示的几何结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术7】计算了该偏振无关宽带吸收器在红外波段范围内的吸收效率。利用严格耦合波理论【在先技术7】和模拟退火法则【在先技术8：W.Goffeetal.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种偏振无关宽带吸收器的结构参数。
下面给出本发明的一个具体实施例，此时金属光栅层与金属薄膜反射层的材料为金(Au)，它的介电常数取自文献中实验测得的数据【在先技术9：Palik,E.D.HandbookofOpticalConstantsofSolids；AcademicPress:NewYork,1998.】。锥形金属-电介质多层光栅结构由15对金属光栅和电介质光栅交错排列而成，光栅均为矩形结构，它们整个形成一个锥形。电介质光栅的材料为锗(Ge)，折射率为4。光栅周期d＝1643nm，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为h1＝6nm和h2＝258nm，15对金属光栅和电介质光栅占空比从顶部到底部分别为：0.0629,0.0856,0.142,0.193,0.277,0.356,0.409,0.468,0.504,0.637,0.658,0.712,0.797,0.820,0.975。
在图1的结构中，金属薄膜反射层的厚度应大于光在红外波段的趋肤深度，选择其厚度为200nm，从而避免光透射出去。由于其可以阻挡光的透射(T(λ)＝0)，因而器件的吸收效率可以通过反射效率R(λ)计算得出：
A(λ)≡1-R(λ)(1)
表1给出了本发明的一系列实施例，Δλ表示偏振无关吸收率高于90％的带宽。
图2是该实施例的TE偏振和TM偏振光垂直入射时器件的吸收率随波长变化的曲线，由图可见，在一个很宽的波带范围内的光将被吸收，在2321nm到4631nm的波长范围内吸收率高于90％。
图3是图2中实施例的TE偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图，从图中可以看出，当入射角小于30°(52°)时，吸收率在2500nm到4404nm(2259nm到4413nm)波长范围高于90％(70％)，具有很好的角度无关性。
图4是图2中实施例的TM偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图，从图中可以看出，当入射角小于40°(70°)时，吸收率在2321nm到5000nm(2296nm到5000nm)波长范围高于90％(70％)，具有很好的角度无关性。
在制作本发明用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器时，适当选择光栅周期、各层光栅的占空比和厚度就可以在一定的入射角范围内得到吸收效率高和角度无关性好的偏振无关宽带吸收器。
本发明的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，具有使用灵活方便、偏振无关吸收带宽较宽，偏振无关宽带吸收的角度无关性好等优点，是一种非常理想的偏振无关宽带吸收器件，利用光学全息记录技术或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，制作后的吸收/辐射器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
表1TE偏振光垂直入射时峰值波长处的吸收效率

Claims (2)

1.一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，其特征在于，包括自上而下的金属-电介质多层光栅、金属薄膜反射层和电介质衬底；所述的金属-电介质多层光栅的周期d为1640～1645纳米，该金属-电介质多层光栅由N对金属光栅和电介质光栅叠加组成，且占空比由上而下逐渐增加，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为5.5～6.5纳米和257～259纳米，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为100～105纳米和1595～1600纳米，金属薄膜反射层的厚度大于光在红外波段的趋肤深度。
2.根据权利要求1所述的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器，其特征在于所述的光栅周期d为1643纳米，金属光栅的厚度为6纳米，电介质光栅的厚度为258纳米，顶部光栅的宽度为103纳米，底部光栅的宽度为1599纳米，金属薄膜反射层的厚度为200纳米。
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