CN106707382B - 基于齿形结构的光吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主要针对波长在400纳米至830纳米光谱范围内的光进行吸收的基于齿形结构的光吸收器。光吸收器包含多个回音壁型吸波单元，回音壁型吸波单元包含：位于底层的金属底层，厚度为：t金属2；位于中间层的介质层，厚度为t介质；t介质＝60～80nm；位于表层且金属材质的光耦合层，其厚度为t金属1；t金属1：t介质：t金属2＝1：(1.5～3)：(4～7.5)；所述光耦合层呈矩形设置，且中部设有矩形的耦合孔；光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔，相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿；位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。本发明结构可有效对可见光以及近红外光进行吸收。

Description

基于齿形结构的光吸收器
技术领域
本发明涉及光吸收器技术领域；具体的说，涉及一种主要针对波长在400纳米至830纳米光谱范围内的光进行吸收的一种基于齿形结构的光吸收器。
背景技术
太阳能热光伏技术是绿色能源和可再生能源中的一个重要领域，因此对太阳光的高效宽带吸收一直备受关注。利用Salisbury屏可以实现对电磁波的完美吸收。Salisbury屏是金属-介质-金属三层结构，但是Salisbury屏一般适用于单频点，如果想实现宽频吸收，必须要做多层结构，给太阳能的有效利用带来了很大的困难。
为了获得具有亚波长厚度的宽频电磁波吸收器，很多国家都进行过深入的研究。N.I.Landy等人于2008年在美国物理快报上发表了关于超材料(metamaterial)电磁波吸收器的论文，并提出制作一种吸收电磁波的吸收器结构；该吸收器具有金属-介质-金属三层结构，工作在微波波段。该超材料电磁波吸收器的结构单元尺寸和厚度都是亚波长的，与传统的Salisbury屏相比具有小型化的优势，但是该吸收器仍然是窄带的。根据实际需要，电磁波吸收器的工作频率已经从微波波段发展到了太赫兹、红外和可见光范围。但是能够在可见光和近红外范围实现高效吸收的宽带吸收器的研制工作仍然面临很多困难。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于齿形结构的光吸收器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于齿形结构的光吸收器，包含多个回音壁型吸波单元，回音壁型吸波单元包括：
位于底层的金属底层，厚度为：t金属2；
位于中间层的介质层，厚度为t介质；t介质＝60～80nm；
位于表层且金属材质的光耦合层，其厚度为t金属1；
t金属1：t介质：t金属2＝1：(1.5～3)：(4～7.5)；
所述光耦合层呈矩形设置，且中部设有矩形的耦合孔；光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔，相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿；位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。
本发明中的回音壁型吸波单元也称之为超分子(meta-molecule)，每个齿形结构单元是超原子(meta-atom)，因此本发明是由包含齿形超原子的回音壁型超分子排列形成的光吸收器。当可见光以及近红外光(400nm～830nm)照射时，光耦合层的特殊结构使入射光在超分子中产生回音壁模式，即绕着光耦合层的闭合路径进行回转，在回转的过程中与齿形结构的超原子(meta-atom)发生作用，进而产生表面等离激元谐振及局域谐振，从而对入射光产生较强的吸收作用。另外，金属底层和金属材质的光耦合层通过介质层隔开，光照射时能产生波导模式和法布里-帕罗模式，也对该频谱范围内的光起到吸收作用。
优选地，介质层，其厚度为60～80nm；金属底层，其厚度为120～150nm。
光在照射过程中，沿x方向极化的偏振光的吸收系数的计算公式为Ax(ω)＝1-Txx(ω)-Tyx(ω)-Rxx(ω)-Ryx(ω),其中Txx(ω)(Rxx(ω))和Tyx(ω)(Ryx(ω))是共极化和交叉极化透射率(反射率)。它们的定义是：Txx(ω)＝|S2x1x(ω)|2，Tyx(ω)＝|S2y1x(ω)|2，Rxx(ω)＝|S1x1x(ω)|2，Ryx(ω)＝|S1y1x(ω)|2。S2i1j和S1i1j分别表示透射和反射的S参数，下角标i和j(i＝x,y；j＝x,y)代表的是模式j向模式i的转化。因为底面的金属膜层的厚度大于电磁波(即可见光、近红外光)的穿透深度，所以在Ax(ω)的表达式中Txx(ω)＝Tyx(ω)＝0。因此对于对本技术方案中的结构来说，其吸收系数的表达式为Ax(ω)＝1-Rxx(ω)-Ryx(ω)。本技术方案中的光吸收器具有比较高的吸收能力，当光垂直入射时，对400纳米-830纳米波长范围的光的平均吸收超过75％，其中对波长在400纳米-600纳米之间的光的平均吸收在90％以上。
优选地，每一侧面的矩形耦合凹孔长度与矩形耦合凹孔至耦合孔的距离相等。
再进一步地，矩形耦合凹孔的长度与临近的凸齿的长度相等。
上述的两个微结构特征，可以辅助提高该频段光与矩形耦合凹孔的耦合效率，提高光吸收率。
进一步地，耦合孔呈方形设置，耦合孔的边长a为185～210nm。优选地，光耦合层呈方形设置，介质层覆盖整个光耦合层。
将光耦合层设置为方形设置，根据仿真结果，可以有效提高吸收率；优选地，介质层的尺寸大于光耦合层。
优选地，光耦合层的4个侧面分为两组，每组两个侧面的所有矩形耦合凹孔形状大小相同，且任意相对的两个侧面的矩形耦合凹孔长度不等。
将齿形结构设置为非对称结构，因此在光吸收时，可产生非对称的耦合，提高吸收效率。
优选地，矩形耦合凹孔的长度和宽度之和为60～95nm。
优选地，其中一组矩形耦合凹孔的长度为50～70nm；宽度为10～30nm；另一组矩形耦合凹孔的长度为30～45nm，宽度为30～45nm。
当矩形耦合凹孔为上述尺寸范围时，可进一步地增加光吸收效果。
优选地，包括多个回音壁型吸波单元，回音壁型吸波单元呈阵列排列且位于同一平面。回音壁型吸波单元向x、y方向进行周期延拓，即可得到齿形结构的光吸收器。
本申请中的方形均为正方形。
本发明的有益效果为：本发明结构可有效对可见光以及近红外光进行吸收。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为本发明中的一个回音壁型吸波单元的结构示意图。
表层部分是由四组齿形结构(即四个齿形超原子)级联而成的正方形结构，由金属银制作而成，中间层部分是熔融石英，底层部分是连续的银膜层。
图3为本发明中的一个回音壁型吸波单元的光耦合层示意图。
图中g1、g2、g3和g4是齿形超原子的结构参数，表示银金属条或空气缝隙的宽度。g1的值在50纳米到70纳米之间，g2和g3的值都在30纳米到45纳米之间，g4的值在10到30纳米之间。内部正方形孔的边长a的取值范围是185纳米至210纳米。光耦合层的边长L的取值范围是330纳米至360纳米。P为一个回音壁型吸波单元的边长，或称之为一个回音壁型吸波单元的周期，P的取值范围是370纳米至400纳米。
图4为本发明对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图(Ax)。
Ryx是由于该吸收器结构的不对称性导致的交叉极化反射率。
图5为本发明对偏振角从0度变化到90度的垂直入射光的吸收频谱图。
图6为本发明对横电(TE)波斜入射时的吸收频谱图。
图7为本发明对横磁(TM)波斜入射时的吸收频谱图。
图8为本发明随参数g1变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。
图9为本发明随参数g2变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。
图10为本发明随介质层的厚度变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。
附图标记说明：
1——光耦合层；11——矩形耦合凹孔；12——凸齿；13——耦合孔；2——介质层；3——金属底层；100——回音壁型吸波单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例：请参阅附图1至附图10。本发明为基于齿形结构的宽带超材料可见光和近红外光吸收器。其包括阵列排列且位于同一平面的多个回音壁型吸波单元100(参见图1)，回音壁型吸波单元100向x、y方向进行周期延拓，即可得到本实施例齿形结构的光吸收器。每一回音壁型吸波单元100的结构为3层，分别为：位于底层的金属底层3，其厚度t金属2为120～150nm；位于中间层的介质层2，其厚度t介质为60～80nm；位于表层且金属材质的光耦合层1，其厚度t金属1为20～40nm；其中，金属底层3、光耦合层1均可采用金属银制作，呈矩形设置优选为方形；当然也可以采用其他金属，如铜、金等，优选为高导热、导电金属体，如金属银。金属底层3和光耦合层1材质可相同也可不同。所述光耦合层1中部设有矩形的耦合孔13，优选为方形孔，边长a为185～210nm；光耦合层1的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔11，本实施例中设置两个矩形耦合凹孔11，相邻的两个矩形耦合凹孔11之间形成凸齿12；位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔11的长度相等；且每一侧面的矩形耦合凹孔11的长度与矩形耦合凹孔11至耦合孔13的距离相等，参见图3。
本实施例中，金属底层、光耦合层均采用金属银材质，因此在附图中采用t银1替代t金属1，t银2替代t金属2。
在仿真过程中，发现t介质，t银1，t银2，三个参数中，对吸收率影响较大的是t介质；其他两个参数对吸收率影响相对较小，t银2的值在大于电磁波在金属中的穿透深度后就基本没有影响了，t银1对吸收率的影响率低于10％，这里主要针对矩形凹孔的不同尺寸和介质层厚度的变化进行研究分析；在t银1＝30nm，t银2＝150nm，当x方向偏振光垂直入射时(x方向偏振光即入射光的电场方向平行于图1中的x轴)，获得以下结果：
Figure BDA0001199662340000051
表中长度单位均为nm；光吸收率数值为：当光垂直入射时的光吸收率。
优选地，金属底层3厚度为150nm，中间介质层2厚度为70nm，光耦合层1厚度为30nm，凹形孔尺寸中，g1＝60nm；g2＝40nm；g3＝40nm；g4＝20nm；a＝200nm；L＝360nm；P＝400nm。针对上述结构，通过仿真计算得到的该光吸收器对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图见图4。从图4可以看出本发明对x方向偏振光的吸收率Ax在400纳米-830纳米波长范围内的平均值大于75％。尤其是在400纳米-600纳米之间，Ax的平均值大于90％。优选地，光耦合层1的4个侧面分为两组，每组两个侧面的所有矩形耦合凹孔11形状大小相同，且任意相对的两个侧面的矩形耦合凹孔11长度不等。由于本发明的结构的不对称性，所以反射光存在交叉极化(cross-polarization)现象。交叉极化率Ryx的最大值为4.9％。从图5可以看出当垂直入射光的偏振角从0度变化到90度时，吸收率的变化比较小。图6给出的是横电波斜入射时的吸收频谱图，入射角为50度时，本发明在400到830纳米之间的平均吸收仍然大于60％。当入射角继续增大到70度时，本发明在400到830纳米之间的平均吸收约为40％。图7给出的是横磁波斜入射时的吸收频谱图，本发明对于横磁波的吸收效果好于对横电波的吸收，随着入射角的增大，吸收器的带宽逐渐增加，入射角大于40度后吸波的波长范围是400纳米到1100纳米左右。当横磁波的入射角达到70度时，本发明在400到1100纳米之间的平均吸收大于50％。
从图8和图9可以看出，通过调节齿形超原子的结构参数g1和g2我们可以控制该发明的吸收电磁波的频率范围，这给该发明的实际应用提供了很大的便利性，我们可以根据实际需要，在不改变其它结构参数的前提下，通过调节参数g1和g2来满足我们的实际需求。
针对上述优选数据：金属底层3厚度为150nm，光耦合层1厚度为30nm，凹形孔尺寸中，g1＝60nm；g2＝40nm；g3＝40nm；g4＝20nm；a＝200nm；L＝360nm；P＝400nm。当中间介质层2的厚度变化时，得到图10所示的结果。根据图10，在不改变其它结构参数的前提下，我们也可以只调节介质层2的厚度，来满足我们的实际需求。
以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (8)

1.基于齿形结构的光吸收器，包含多个回音壁型吸波单元，其特征在于：回音壁型吸波单元包括：
位于底层的金属底层，厚度为：t金属2；
位于中间层的介质层，厚度为t介质； t介质=60~80nm；
位于表层且金属材质的光耦合层，其厚度为t金属1；
t金属1：t介质：t金属2=1：（1.5~3）：（4~7.5）；
所述光耦合层呈矩形设置，且中部设有矩形的耦合孔；光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔，相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿；位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等；
光耦合层的4个侧面分为两组，每组两个侧面的所有矩形耦合凹孔形状大小相同，且任意相对的两个侧面的矩形耦合凹孔长度不等；
回音壁型吸波单元呈阵列排列且位于同一平面。
2.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：每一侧面的矩形耦合凹孔长度与矩形耦合凹孔至耦合孔的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：矩形耦合凹孔的长度与临近的凸齿的长度相等。
4.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：耦合孔呈方形设置，耦合孔的边长a为185~210nm。
5.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：光耦合层呈方形设置，介质层覆盖整个光耦合层。
6.根据权利要求3所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：矩形耦合凹孔的长度和宽度之和为60~95nm。
7.根据权利要求4所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：其中一组矩形耦合凹孔的长度为50~70nm；宽度为10~30nm；另一组矩形耦合凹孔的长度为30~45nm，宽度为30~45nm；光耦合层呈方形设置，边长L为330~360nm；回音壁型吸波单元呈方形设置，边长P=370~400nm。
8.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器，其特征在于：金属底层、光耦合层的材质均为银；介质层为熔融石英。
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