CN103367931B - 红外多波长吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外多波长吸收器，依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6。结构层Ⅱ6由双十字结构阵列组成，双十字结构的形式是由两个十字结构拼接而成，x、y方向阵列角度均为90°，x、y方向的周期均在波长量级。本发明利用单个尺寸结构阵列实现红外波段的多波长吸收，结构形式简单，厚度小，吸收特性容易控制；本发明的红外多波长吸收器具有偏振特性，在生物传感器应用方面有广泛的应用前景。本发明通过大量实验数据证明了该红外多波长吸收器的优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外电磁波吸收器，尤其涉及一种基于双十字结构并具有偏振特性的红外多波长吸收器，属于红外电磁波吸收、探测的技术领域。
背景技术
红外吸收器是制作光电探测器、微型辐射热计、太阳能光伏热转换器以及热成像系统等器件的基础构件。传统的红外电磁波谐振吸收器利用多层结构实现，结构之间由四分之一波长介质层分开。应用这种谐振吸收器时，存在一些难以解决的问题。首先，吸收器的厚度要求至少达到四分之一波长，而且如果这些吸收层是串联的，为了展宽性能就要显著增加其厚度。其次，传统的吸收器不易控制特定的吸收谱特性，必须力求寻找能够天然与自由空间阻抗匹配的材料。
完美吸收超材料可以通过设计其结构形式和尺寸参数，调整其等效介电常数和磁导率，实现接近于100％电磁波完美吸收。2008年，Landy等人首次实验证实超材料在微波波段的完美吸收特性，随后的研究不断向短波方向发展。D.Yu.Shchegolkov等利用鱼网结构实现太赫兹波段大于90％的吸收率，并研究了入射角度和偏振方向对吸收率的影响。Li Huang从理论和实验方面研究了实现宽波段太赫兹吸收的方法，利用不同尺寸结构阵列的叠加，由于两组吸收效果的相互叠加，实现宽波段吸收。Xianliang Liu在中红外波段，基于超材料结构实现了空间和频率的选择性窄带吸收。目前超材料的吸收结构包括十字阵列，矩形块阵列，金属环等，其谐振频率从微波波段到太赫兹波、红外波，并向可见光波段发展。
在选择性红外滤波器、多路检测阵列以及生物化学物质检测技术等应用中，要求吸收器具有多波长吸收的特性。目前，超材料吸收器通过使用两种不同尺寸的结构阵列叠加，每个尺寸阵列都有各自的谐振位置，二者吸收特性叠加实现双波长吸收。但是这种方式结构设计复杂，可重复性差。在红外吸收器应用于生物传感器时，偏振特性有助于提高检测的灵敏度，而现有的红外吸收器由于其特定的应用领域，多为偏振不敏感。
发明内容
本发明为了克服传统的谐振吸收器厚度大、吸收特性不易控制，以及现有超材料双波长吸收器结构偏振不敏感等缺点，本发明提出了一种易于控制厚度及吸收特性，且具有偏振特性的红外多波长吸收器。双十字阵列超材料单元结构尺寸对其有效光学参数具有调谐作用。当材料表面与入射介质之间满足阻抗匹配条件，可以使反射率为零；等效折射率系数虚部值足够大，底层金属厚度大于电磁波的穿透深度，可以使透射率为零；满足这两个条件就可以得到最优的吸收效果。本发明的多波长吸收特性有两个来源：首先是同一偏振方向电磁波入射时，不同波长不同阶次的谐振引起的多波长吸收；其次是不同偏振方向电磁波入射时引入的多波长吸收。
参阅附图1，附图2和附图3，本发明的技术方案是：一种红外多波长吸收器，依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、电介质层4和结构层Ⅱ6，为了加强结构层Ⅰ2、结构层Ⅱ6与电介质层4之间的粘附性，在结构层Ⅰ2、结构层Ⅱ6与电介质层之间添加粘附层Ⅰ3、粘附层Ⅱ5。其中，结构层Ⅱ6由双十字结构阵列组成，双十字结构的形式是由两个十字结构拼接而成，x、y向阵列角度均为90°，x、y方向的周期均在波长量级。
本发明有益效果是：利用单个尺寸结构阵列实现红外波段的多波长吸收，结构形式简单，厚度小，吸收特性容易控制；本发明的红外多波长吸收器具有偏振特性，用于生物传感器时可以提高检测的灵敏度。
附图说明：
图1为本发明提出的红外吸收器的结构示意图；
图2为红外吸收器的横截面示意图；
图3为红外吸收器的横截面示意图；
图4为实施例1中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图5为实施例2中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图6为实施例3中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图7为实施例4中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图8为实施例5中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图9为实施例6中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图10为实施例7中Ex、Ey两个偏振方向入射时的吸收特性；
图中：1-基底，2-结构层Ⅰ，3-粘附层Ⅰ，4-电介质层，5-粘附层Ⅱ，6-结构层Ⅱ。
具体实施方法
实施例1：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.2μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图4，红外多波长吸收器在波长2.3μm、3.475μm和5.975μm处实现99.43％、89.24％和81.58％的吸收率。
实施例2：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.4μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图5，红外多波长吸收器在波长2.525μm、3.475μm和6.675μm处实现99.83％、88.19％和76.92％的吸收率。
实施例3：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图6，红外多波长吸收器在波长2.75μm、3.4μm和7.2μm处实现99.34％、85.34％和75.62％的吸收率。
实施例4：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.8μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图7，红外多波长吸收器在波长3.075μm、3.425μm和7.775μm处实现98.5％、85.93％和73.67％的吸收率。
实施例5：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Cr，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为1.0μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图8，红外多波长吸收器在波长2.975μm、4.175μm和7.55μm处实现99.17％、92.43％和69.22％的吸收率。
实施例6：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Cr，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.4μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图9，红外多波长吸收器在波长2.975μm、4.175μm和7.55μm处实现99.17％、92.43％和69.22％的吸收率。
实施例7：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Si，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Al，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Cr，电介质层4材料为Al2O3；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。参阅附图10，红外多波长吸收器在波长2.825μm、3.5μm和7.3μm处实现93.16％、94.48％和81.16％的吸收率。
实施例8：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Ge，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为SiO2；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。
实施例9：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Ge，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为SiO2；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。
实施例10：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Ge，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Au，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为MgF2；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。
实施例11：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Ge，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Al，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为SiO2；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。
实施例12：
参阅附图1，附图2，附图3，本发明提出的红外双波长吸收器依次包括基底Ⅰ1、结构层Ⅰ2、粘附层Ⅰ3、电介质层4、粘附层Ⅱ5和结构层Ⅱ6，所述基底Ⅰ1材料为Ge，结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6材料均为Al，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5材料均为Ti，电介质层4材料为MgF2；双十字结构x方向长度为1.6μm，y方向长度为0.8μm，双十字臂的宽度为0.3μm，x方向周期为2μm，y方向周期为1.2μm；结构层Ⅰ2和结构层Ⅱ6的厚度均为0.1μm，电介质层4厚度为0.05μm，粘附层Ⅰ3和粘附层Ⅱ5的厚度为5nm。
Claims (5)
1.一种红外多波长吸收器，依次包括基底Ⅰ（1）、结构层Ⅰ（2）、粘附层Ⅰ（3）、电介质层（4）、粘附层Ⅱ（5）和结构层Ⅱ（6）；所述结构层Ⅱ（6）由双十字结构阵列组成，双十字结构的形式是由两个十字结构拼接而成，x、y向阵列角度均为90°，x、y方向的周期均在波长量级。
2.一种如权利要求1所述的红外多波长吸收器，其特征在于，基底Ⅰ（1）的材料为硅或者锗。
3.一种如权利要求1所述的红外多波长吸收器，其特征在于，结构层Ⅰ（2）和结构层Ⅱ（6）的材料为金或者铝。
4.一种如权利要求1所述的红外多波长吸收器，其特征在于，粘附层Ⅰ（3）和粘附层Ⅱ（5）的材料为钛或者铬。
5.一种如权利要求1所述的红外多波长吸收器，其特征在于，电介质层（4）材料为氧化铝、二氧化硅或氟化镁。
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