CN107402418B - 一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体 - Google Patents

一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层光栅结构宽带吸收体，包括有基底，基底上镀有金膜层，金膜层上交替镀有若干对五氧化二钽和金膜，再将此若干对五氧化二钽和金膜刻蚀成光栅结构，形成五氧化二钽光栅层和金膜光栅层，实现对横磁偏振入射光宽带吸收。本发明的优点在于宽带吸收和上下微结构层光栅脊宽度一致，而且金属层厚度不变，降低了制备过程的复杂性。

Description

一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体
技术领域
本发明涉及微纳光学器件领域，具体是一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体。
背景技术
吸收体可应用于探测器、隐身、成像、热辐射源以及传感等等。但是基于自然材料的传统吸收体存在吸收效率低下而且其吸收带宽无法调控等问题，阻碍吸收体应用。近年来，通过优化微结构表面实现入射电磁波电偶极子和磁偶极子激发，最终实现近似完美吸收。由于存在强烈的电磁共振，基于微纳结构超材料吸收体多数吸收带宽较窄。但是宽带吸收在隐身和成像领域应用极为关键。为实现宽带吸收，最近有研究提出边长渐变型微结构超材料宽带吸收体，但是制备这种宽带吸收体在利用聚焦离子束刻蚀时，需要合理设计离子束强度以实现渐变边长结构，增加了器件制备的复杂性(Prog.ElectromagneticsRes.147,69-79(2014))。因此，为减少制备工艺复杂度，提出了一种基于固定边长多层结构宽带超材料吸收体(一种宽带超材料吸收体，发明专利(201610814251.2))，但是这种宽带吸收体的金属光栅层和电介质光栅层厚度都要变化，工艺复杂度仍较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多层光栅结构宽带吸收体，吸收体中金属光栅层厚度不变，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，包括有基底，基底上镀有金膜层，金膜层上交替镀有若干对五氧化二钽和金膜，再将此若干对五氧化二钽和金膜刻蚀成光栅结构，形成五氧化二钽光栅层和金膜光栅层，实现对横磁偏振入射光宽带吸收。
优选地，金膜光栅层厚度保持不变。
优选地，自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层厚度逐渐增加。
优选地，若干对五氧化二钽光栅层和金膜光栅层脊宽度一致。
优选地，五氧化二钽光栅层和金膜光栅层的宽度为540～580nm。
优选地，金膜光栅层的厚度为18～22nm。
优选地，五氧化二钽光栅层和金膜光栅层为20～22对。
构建的多层五氧化二钽/金光栅结构，金层厚度保持不变，自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层厚度逐渐增加。由于金层所占的比例逐渐减小，自基底至光栅顶层等效折射率逐渐降低，可以减少入射电磁波反射，增强吸收。入射平面TM偏振电磁波(电矢量方向与X轴一致)沿上层向基底方向入射，偏短波长电磁波被束缚在较上方五氧化二钽/金光栅层内，偏长波长电磁波被束缚在下方五氧化二钽/金光栅层内，不同波长电磁波被束缚在不同五氧化二钽/金光栅层内，由于强烈的共振效应，最终实现宽带电磁波吸收。为了避免宽带吸收体中的金属光栅层厚度变化，在本专利中特定设置金属光栅层较薄，厚度仅20nm，易于电磁波穿透金属光栅层，从而无需对各金属光栅层厚度特别设计，最终实现金属膜层厚度不变。
本发明的优点在于宽带吸收和上下微结构层光栅脊宽度一致，而且金属光栅层厚度不变，降低了制备过程的复杂性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其在Y方向上是周期结构，电磁波沿着Z方向传播。
图2为实施例1使用本发明多层光栅结构红外宽带吸收体获得的吸收光谱图。
图3为实施例2使用本发明多层光栅结构红外宽带吸收体获得的吸收光谱图。
图4为实施例3使用本发明多层光栅结构红外宽带吸收体获得的吸收光谱图。
图5为实施例4使用本发明多层光栅结构红外宽带吸收体获得的吸收光谱图。
附图标记：
1，基底；2，金膜层；3，五氧化二钽光栅层；4，金膜光栅层。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
如图1所示，一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，包括有基底1，基底1上镀有金膜层2以阻止电磁波透射并有效吸收入射电磁波，金膜层2上交替镀有21对五氧化二钽和金膜，再将此21对五氧化二钽和金膜刻蚀成光栅结构，形成五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4，实现对横磁偏振入射光宽带吸收。其中，金膜光栅层4厚度保持不变；而五氧化二钽光栅层3，自基底至光栅顶层，厚度逐渐增加。此外，21对五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4脊宽度一致。
图1中所示吸收体在Y方向上是周期结构，电磁波沿着Z方向传播。根据等效介质理论，由于金层所占的比例逐渐减小，自基底至光栅顶层等效折射率逐渐降低，可以减少反射光能量，增强吸收。入射平面TM偏振电磁波(电矢量方向与X轴一致)沿上层向基底方向入射，偏短波长电磁波被束缚在较上方五氧化二钽/金光栅层内，偏长波长电磁波被束缚在下方五氧化二钽/金光栅层内，不同波长电磁波被束缚在不同五氧化二钽/金光栅层内，由于强烈的共振效应，最终实现宽带电磁波吸收。
实施例1
吸收体一个周期单元结构的参数分别是：p＝800nm，w＝560nm，t＝200nm，金膜光栅层4厚度保持不变，为20nm；自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层3厚度从10nm厚度等幅增加到50nm，相邻五氧化二钽光栅层厚度差为2nm，共21对五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图2所示，在3.16微米至4.05微米光谱范围内吸收率大于0.9。
实施例2
吸收体一个周期单元结构的参数分别是：p＝800nm，w＝540nm或580nm，t＝200nm，金膜光栅层4厚度保持不变，为20nm；自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层3厚度从10nm厚度等幅增加到50nm，相邻五氧化二钽光栅层厚度差为2nm，共21对五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图3所示，从图3可以看到，当w＝540nm时，在3.04微米至3.89微米光谱范围内吸收率大于0.9；当w＝580nm时，在3.27微米至4.23微米光谱范围内吸收率大于0.89。
实施例3
吸收体一个周期单元结构的参数分别是：p＝800nm，w＝560nm，t＝200nm，金膜光栅层4厚度保持不变，为18nm或22nm；自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层3厚度从10nm厚度等幅增加到50nm，相邻五氧化二钽光栅层厚度差为2nm，共21对五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图4所示，从图4可以看到，当金膜光栅层厚度为t4＝18nm时，在3.136微米至3.97微米光谱范围内吸收率大于0.88；当金膜光栅层厚度为t4＝22nm时，在3.16微米至4.15微米光谱范围内吸收率大于0.9。
实施例4
吸收体一个周期单元结构的参数分别是：p＝800nm，w＝560nm，t＝200nm，金膜光栅层4厚度保持不变，为20nm；自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层3厚度从10nm厚度等幅增加到48nm或52nm，相邻五氧化二钽光栅层厚度差为2nm，共20或22对五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图5所示，从图5可以看到，当五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4为20对时，在3.16微米至4.00微米光谱范围内吸收率大于0.89；当五氧化二钽光栅层3和金膜光栅层4为22对时，在3.14微米至4.14微米光谱范围内吸收率大于0.88。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，其特征在于：包括有基底，基底上镀有金膜层，金膜层上交替镀有若干对五氧化二钽和金膜，再将此若干对五氧化二钽和金膜刻蚀成光栅结构，形成五氧化二钽光栅层和金膜光栅层，实现对横磁偏振入射光宽带吸收；自基底至光栅顶层，五氧化二钽光栅层厚度逐渐增加，金膜光栅层厚度保持不变。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，其特征在于：若干对五氧化二钽光栅层和金膜光栅层脊宽度一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，其特征在于：五氧化二钽光栅层和金膜光栅层的宽度为540~580nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，其特征在于：金膜光栅层的厚度为18 ~22nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体，其特征在于：五氧化二钽光栅层和金膜光栅层为20~22对。
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