CN107479296A - 一种可调谐中红外窄带吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐中红外窄带吸收体，包括有基底，基底上设有金属膜镀层，金属膜镀层上再设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层。本发明设计了一种新的吸收体结构，利用石墨烯的特性，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现了横电(TE)偏振光可调谐窄带吸收，满足了吸收峰位动态变化的需求。

Description

一种可调谐中红外窄带吸收体
技术领域
本发明涉及微纳光学器件领域，具体是一种可调谐中红外窄带吸收体。
背景技术
中红外波段涵盖了大量气体分子的具有指纹特征基频吸收带，且是重要的大气透射窗口，因此中红外波段在大气环境监测、空间光通信和医疗诊断等方面具有重要的价值，使得发展优质新型中红外波段器件就显得尤为迫切。中红外波段吸收体可应用于滤波器、相干热辐射源以及探测器等等。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，阻碍红外吸收体应用。近年来，利用人工微结构表面可以实现入射电磁波共振吸收。由于强烈的电磁共振效应，基于人工微纳结构吸收体带宽一般在几十纳米左右。但是更窄的带宽意味更高的品质因数（应用于传感）或更长的相干度（应用于热辐射源），因此，窄带吸收体吸引了大量研究（Opt. Commun. 382, 307–310 (2017)，Opt.Commun. 385, 172–176 (2017)）。但是，当器件结构参数固定后，这种窄带吸收体的吸收峰位难以调节，无法满足吸收峰位动态变化的需求。石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有高电子迁移率、低电阻率、光学透明性、高灵活性及结构稳定等特性，特别是通过改变石墨烯费米能，可以实现石墨烯的折射率调谐，这为通过改变石墨烯费米能调谐吸收体吸收峰位提供了可能。
发明内容 本发明的目的是提供一种基于石墨烯可调谐中红外窄带吸收体，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：
一种可调谐中红外窄带吸收体，包括有基底，基底上设有金属膜镀层，金属膜镀层上再设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现横电(TE)偏振光可调谐窄带吸收。
优选地，为获得最大波长调谐范围，所述石墨烯层上下两侧的第一电介质镀层和第二电解质镀层的厚度相等。
优选地，所述第二电介质镀层的厚度大于光栅层厚度。
优选地，所述光栅层厚度为300~360nm。
优选地，所述光栅层宽度为1800~2200nm。
优选地，所述第一电介质镀层和第二电介质镀层的厚度为3500~4500nm。
优选地，所述电介质镀层和光栅层的材料为二氧化硅或三氧化二铝。
优选地，所述金属膜镀层为金或银。
本发明的优点在于：
本发明设计了一种新的吸收体结构，利用石墨烯的特性，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现了横电(TE)偏振光可调谐窄带吸收，满足了吸收峰位动态变化的需求。
附图说明
图1为本发明可调谐中红外窄带吸收体的结构示意图，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使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图3 为实施例2使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图4为实施例3使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图5为实施例4使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图6为实施例5使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图7为实施例6使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图8为实施例7使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
图9为实施例8使用本发明可调谐中红外窄带吸收体时的结构吸收光谱图。
附图标记：
1，基底；2，金属膜镀层；3，第一电介质镀层；4，石墨烯；5，第二电介质镀层；6，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，一种可调谐中红外窄带吸收体，包括有基底1，基底1上设有金属膜镀层2，金属膜镀层2阻止电磁波透射且在共振下强烈吸收入射电磁波，金属膜镀层2上再设有第一电介质镀层3，再在第一电介质镀层3上放置石墨烯4，在石墨烯4上再设第二电介质镀层5，电介质镀层3和5为电磁共振区域，石墨烯层在电介质镀层3和5内，通过调节石墨烯费米能可以改变石墨烯折射率，从而改变在电介质镀层3和5内的电磁共振波长达到吸收峰调谐，在此第二电介质镀层5上镀第三电介质层，刻蚀并形成光栅层6，光栅层6提供衍射波，使得入射电磁波在膜层3和5内形成共振。按照上述方法构建好器件后，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现横电(TE)偏振光可调谐窄带吸收。
其中，石墨烯层上下两侧的第一和第二电介质镀层厚度相等，第二电介质镀层厚度大于光栅层厚度。
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。入射平面TE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，由于顶层光栅的衍射效应，在电介质镀层内形成导模共振，电磁场能量集中在电介质镀层的中间位置，镀层中间位置增强的电磁场增强了石墨烯的吸收，改变石墨烯的费米能，即可改变吸收峰位置。
实施例1
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
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，吸收带宽小于1nm，吸收率大于0.99，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的吸收峰从5.6196nm调谐至5.5928nm。由此可见，该器件通过改变石墨烯费米能实现了调谐吸收体吸收峰位。
实施例2
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=300nm或360nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
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，吸收带宽依然小于1nm，虽然吸收率低于0.99，但仍然大于0.98，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当h=300nm时，对应的吸收峰从5.6193nm调谐至5.5922nm，见图3(a)；当h=360nm时，对应的吸收峰从5.6200nm调谐至5.5932nm，见图3(b)。
实施例3
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=1800nm或2200nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
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，吸收带宽依然小于1nm，吸收率大于0.99，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当w=1800nm时，对应的吸收峰从5.6196nm调谐至5.5927nm，见图4(a)；当w=2200nm时，对应的吸收峰从5.6200nm调谐至5.5927nm，见图4(b)。从图4可以看到，光栅脊宽度稍发生偏移，吸收峰位影响很小。
实施例4
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=3950nm或4050nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
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，吸收带宽依然小于1nm，吸收率大于0.95，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当t1=t2=3950nm时，对应的吸收峰从5.6166nm调谐至5.5894nm，见图5(a)；当t1=t2=4050nm时，对应的吸收峰从5.6226nm调谐至5.5959nm，见图5(b)。
实施例5
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=3500nm，t2=4500nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图6所示，吸收带宽依然小于1nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的吸收峰从5.61948nm调谐至5.9148nm。由此可见，膜层3和5不一致时，依然可以实现可调谐吸收，但调谐波长范围相比t1=t2时较小。
实施例6
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层和光栅层材料为三氧化二铝（折射率为1.52），基底为二氧化硅。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图7所示，吸收带宽依然小于1nm，吸收率大于0.99，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的吸收峰从5.9303nm调谐至5.9019nm。由此可见，变换电介质膜层和光栅层材料依然可以实现可调谐吸收。
实施例7
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为金，电介质膜层材料为三氧化二铝（折射率为1.52），光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图8所示，吸收带宽依然小于1nm，吸收率大于0.94，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的吸收峰从5.9292nm调谐至5.9007nm。由此可见，电介质膜层和光栅层材料不同依然可以实现可调谐吸收。
实施例8
吸收体一个周期结构的参数分别为p=4000nm, w=2000nm, t=200nm， t1=t2=4000nm，h=330nm，环境温度为300K，石墨烯载流子散射率为10meV，金属膜镀层为银，电介质膜层和光栅层材料为二氧化硅（折射率为1.44），基底为二氧化硅。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的吸收结果如图9所示，吸收带宽依然小于1nm，吸收率大于0.99，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的吸收峰从5.6196nm调谐至5.5928nm。由此可见，改变金属膜层材料依然可以实现可调谐吸收。
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 (8)

1.一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：包括有基底，基底上设有金属膜镀层，金属膜镀层上再设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述石墨烯层上下两侧的第一电介质镀层和第二电解质镀层的厚度相等。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述第二电介质镀层厚度大于光栅层厚度。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述光栅层厚度为300~360nm。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述光栅层宽度为1800~2200nm。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述第一电介质镀层和第二电介质镀层的厚度为3500~4500nm。
7.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述电介质镀层和光栅层的材料为二氧化硅或三氧化二铝。
8.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带吸收体，其特征在于：所述金属膜镀层为金或银。
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