CN105549132B - 一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器 - Google Patents
一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，该吸收器包括基底、金属薄膜、厚硅薄膜、氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜，所述的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后形成等效的双曲特异材料，该等效的双曲特异材料再与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，所述的双曲光子晶体铺设在金属薄膜上，所述的金属薄膜铺设在基底上。与现有技术相比，本发明利用亚波长尺度的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后构成等效的双曲特异材料，再利用等效的双曲特异材料与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜，再利用该布拉格反射镜与金属薄膜结合，激发全向的隧穿模，从而实现近红外的具有极化选择特性的全向吸收。
Description
技术领域
本发明涉及一种近红外全向吸收器，尤其是涉及一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器。
背景技术
在近红外波段领域，人们需要利用近红外吸收器来进行化学和生物检测，因此近红外吸收器有广泛的应用。其工作原理是生物分子或化学分子在近红外波段有较强的共振吸收峰，当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，从而引起吸收谱的变化，因此在生物分子光谱和化学光谱具有很多应用，如空气污染监测、气体「指纹」检测、以及分析人类呼吸疾病标记。现有技术中，各种光学腔被应用到吸收器当中，其中包括法布里珀罗腔，回音壁腔等。然而，通常的近红外吸收器是角度依赖的，不同的角度对应的吸收频率是不同的。这使得传统的生物检测角谱范围非常窄，大大限制了其应用范围。
最近美国的纳米快报上刊出由金属纳米圆盘的阵列和金属基底组成的亚波长近红外吸收器。金属纳米圆盘阵列在近红外存在局域的表面等离激元模式，利用金属基底与金属纳米圆盘阵列之间的法布里珀罗腔，可以增强这种等离激元效应，从而实现全向的完美吸收。但是这种吸收器有一个缺点就是它是三维结构，因此加工复杂，必须精心制备，对光刻机有相当高的要求，这在日趋发展的近红外全向吸收应用有很大的限制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，本发明利用简单的镀膜技术即可实现近红外全向吸收器的极化选择。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，该吸收器包括基底、金属薄膜、厚硅薄膜、氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜，所述的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后形成等效的双曲特异材料，该等效的双曲特异材料再与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，所述的双曲光子晶体铺设在金属薄膜上，所述的金属薄膜铺设在基底上。
其中，所述的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜通过4个周期层叠后形成等效的双曲特异材料。
等效的双曲特异材料与厚硅薄膜通过3个周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜，用于实现无色散的光子带隙。
所述的双曲光子晶体与金属薄膜的层叠，可以实现光隧穿效应，从而在近红外波段实现极化选择的全角度吸收。
所述的氧化铟锡薄膜是一种透明导电薄膜，在近红外波段是一种等离激元材料，具有类金属特性，厚度为25纳米。
所述的薄硅薄膜的折射率为3.48，厚度为25纳米。
所述的厚硅薄膜的折射率为3.48，厚度为100纳米。
所述的金属薄膜为银膜，厚度为45纳米，作为吸收层用。
所述的基底为K9玻璃，作为镀膜衬底。
利用亚波长尺度的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后构成等效的双曲特异材料，再利用等效的双曲特异材料与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜，由于双曲特异材料的反常波矢色散与厚硅薄膜的正常色散之间的相位补偿，该布拉格反射镜是无色散的。再利用该布拉格反射镜与金属薄膜结合，激发全向的隧穿模，从而实现近红外的具有极化选择特性的全向吸收，在60°倾斜角入射条件下，吸收率仍能达到90％以上。本发明可应用于化学和生物传感领域。
与现有技术相比，本发明具有如下的效果和优点：
1、由于本发明是一种多层膜结构，属于一维结构，利用当前成熟的镀膜技术即可实现，实验制备简单，对实验条件要求不高。
2、由于本发明是利用双曲特异材料的反常波矢色散对硅薄膜的正常色散进行补偿，可以实现全向吸收，而这种机制原来只能在二维甚至三维结构中才能实现，在一维结构中无法实现。
3、由于本发明中利用了双曲特异材料，因此是极化选择的。
附图说明
图1为本发明的结构侧视图；
图2为本发明的近红外全向吸收器吸收谱随角度的变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，该全向吸收器包括基底1、金属薄膜2、厚硅薄膜3、氧化铟锡薄膜4和薄硅薄膜5。氧化铟锡薄膜4是一种透明导电薄膜，在近红外波段是一种等离激元材料，具有类金属特性，厚度为25纳米。薄硅薄膜5的折射率为3.48，厚度为25纳米。厚硅薄膜3的折射率为3.48，厚度为100纳米。其中，氧化铟锡薄膜4和薄硅薄膜5通过4个周期层叠后形成等效的双曲特异材料。该等效的双曲特异材料再与厚硅薄膜3通过3个周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜，用于实现无色散的光子带隙。双曲光子晶体铺设在金属薄膜2上，双曲光子晶体与金属薄膜2的层叠，可以实现光隧穿效应，从而在近红外波段实现极化选择的全角度吸收。金属薄膜2铺设在基底1上。金属薄膜2为银膜，厚度为45纳米，作为吸收层用。基底1为K9玻璃，作为镀膜衬底。
利用亚波长尺度的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后构成等效的双曲特异材料，再利用等效的双曲特异材料与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜，由于双曲特异材料的反常波矢色散与厚硅薄膜的正常色散之间的相位补偿，该布拉格反射镜是无色散的。再利用该布拉格反射镜与金属薄膜结合，激发全向的隧穿模，从而实现极化选择的大角度吸收。因为双曲特异材料只对TM极化波有响应，因此本发明的吸收器可以实现极化选择的大角度的吸收，本发明的近红外全向吸收器吸收谱随角度的变化如图2所示，在60°倾斜角入射条件下，吸收率仍能达到90％以上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，其特征在于，该吸收器包括基底、金属薄膜、厚硅薄膜、氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜，所述的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜周期层叠后形成等效的双曲特异材料，该等效的双曲特异材料再与厚硅薄膜周期层叠后形成双曲光子晶体，所述的双曲光子晶体铺设在金属薄膜上，所述的金属薄膜铺设在基底上；
所述的氧化铟锡薄膜和薄硅薄膜通过4个周期层叠后形成等效的双曲特异材料；
等效的双曲特异材料与厚硅薄膜通过3个周期层叠后形成双曲光子晶体，构成布拉格反射镜；
所述的氧化铟锡薄膜是一种透明导电薄膜，厚度为25纳米，所述的薄硅薄膜的折射率为3.48，厚度为25纳米，所述的厚硅薄膜的折射率为3.48，厚度为100纳米。
2.根据权利要求1所述的一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，其特征在于，所述的双曲光子晶体与金属薄膜的层叠，可以实现光隧穿效应，从而在近红外波段实现极化选择的全角度吸收。
3.根据权利要求1所述的一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，其特征在于，所述的金属薄膜为银膜，厚度为45纳米，作为吸收层用。
4.根据权利要求1所述的一种基于双曲光子晶体的近红外全向吸收器，其特征在于，所述的基底为K9玻璃，作为镀膜衬底。
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