CN108562957B - 宽谱吸收器 - Google Patents

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    • G02B5/003—Light absorbing elements

Abstract

本发明提供一种宽谱吸收器，包括基底；吸收组件，多个所述吸收组件间隔设置在所述基底上，形成周期性阵列；激发单元，所述激发单元嵌入在所述吸收组件内；其中所述吸收组件的材质为六方氮化硼。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：使用支持高阶双曲声子极化激元的hBN，声子极化激元的激发可以通过改变梯形结构形状及金属结构的位置予以实现，这使得能够在宽谱段实现高吸收，同时对于吸收谱也具有较大的可调整度。

Description

宽谱吸收器
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地，本发明涉及一种基于二维材料/金属超表面的紧凑型中红外宽谱吸收器。
背景技术
二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1nm～100nm)上自由运动(平面运动)的材料。六方氮化硼(hexagonal boron nitride，hBN)是一种新型二维材料，可以在中红外波段支持声子极化激元。与一般材料不同的是六方氮化硼在中红外区域(6.21μm<λ<7.30μm)支持双曲声子极化激元。其中的“双曲”是指波矢空间等频率面呈双曲型的色散关系，这种双曲特性使得六方氮化硼具有通常色散关系呈椭球形的材料不具有的特性。
金属一般选用金、银等色散关系为德鲁德模型，共振频率在紫外可见光波段的材料。
超表面是指结构的特征尺寸(如厚度、周期)远小于入射电磁波的波长。
中红外波长范围的定义一般根据用途不同而有所区别，通常指电磁波的波长范围在2.5μm～25μm。
2012年发表在Nano Letters上的一篇文章Ultrabroadband Light Absorptionby a Sawtooth Anisotropic Metamaterial Slab结构外形与本发明相似，其使用的是多层金属-介电材料的金字塔形结构，实现宽谱吸收的原理是利用阻抗匹配和慢波理论。
当前已有的技术方案通过利用多层金属-介电金字塔形结构，需要很多层周期(通常为10个～20个)的叠加，结构较为复杂，加工制备难度较大。同时吸收谱段的可调性不足，由于使用的金属-介电材料固有的本征介电函数的限制，使得一般结构下较难在中红外实现较宽谱段的高吸收。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种同时激发和耦合表面等离极化激元和声子极化激元从而实现宽谱高吸收的宽谱吸收器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种宽谱吸收器，包括基底；吸收组件，多个所述吸收组件间隔设置在所述基底上，形成周期性阵列；激发单元，所述激发单元嵌入在所述吸收组件内；其中所述吸收组件的材质为六方氮化硼。
优选地，所述吸收组件为梯形。
优选地，所述吸收组件的上底边长度为1000nm，所述吸收组件的下底边长度为2000nm，所述吸收组件的高度为550nm。
优选地，所述激发单元为两层，两层所述激发单元间隔设置在所述吸收组件内，两层所述激发单元将所述吸收组件分为第一吸收单元、第二吸收单元及第三吸收单元；其中所述第三吸收单元设置在所述基底上。
优选地，所述第一吸收单元的高度为150nm，所述第二吸收单元的高度为150nm，所述第三吸收单元的高度为230nm；所述激发单元的高度为10nm。
优选地，相邻的所述吸收组件之间的间距为2000nm。
优选地，所述激发单元为金属激发单元。
优选地，所述激发单元的材质为金。
优选地，所述基底包括：衬底；金属膜，所述金属膜设置在所述衬底上。
优选地，所述衬底的材质为硅或二氧化硅。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：使用支持高阶双曲声子极化激元的二维材料hBN，声子极化激元的激发可以通过改变梯形结构形状及金属结构的位置予以实现，这使得能够在宽谱段实现高吸收，同时对于吸收谱也具有较大的可调整度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明宽谱吸收器模型示意图；
图2为本发明宽谱吸收器与相应结构参数只包含均质hBN材料的吸收谱图；
图3a为本发明宽谱吸收器不同波段时结构中的能量耗损分布密度图一；
图3b为本发明宽谱吸收器不同波段时结构中的能量耗损分布密度图二；
图3c为本发明宽谱吸收器不同波段时结构中的能量耗损分布密度图三；
图4为本发明宽谱吸收器在hBN和金属中吸收的能量占总吸收能量的百分比图。
图中：
1-基底 2-第一吸收单元 3-第二吸收单元
4-第三吸收单元 5-激发单元 6-电磁波
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明专利希望通过激发表面等离激元和声子极化激元，在中红外波段实现吸收谱段可调的宽谱吸收器。关键技术难点在于如何同时激发这种耦合模态，并将之压缩在远小于入射波长的纳米尺度的体积单元中。
本发明是基于二维材料/金属超表面的紧凑型中红外宽吸收器，整体结构为梯形二维材料-金属叠层光栅组成的周期性阵列，图1给出了两个周期单元的示意图。吸收组件优选地使用可在中红外波段支持双曲声子极化激元的hBN材料。hBN梯形光栅中嵌入两个金属激发单元5。基底1使用可以阻止光透过的亚微米级金属薄层，实际加工中可以在抛光硅片或抛光二氧化硅片上镀一层金属薄膜实现。
红外波段的电磁波6从吸收器上部入射，由于周期性金属薄层阵列的存在，作用类似于金属光栅结构，根据Floquet condition可以在其表面支持高阶的电磁模态，从而能在hBN中激发双曲声子极化激元。这使得在hBN的双曲波段(6.21μm<λ<7.30μm)能够实现表面等离激元和双曲声子极化激元的耦合，在hBN的双曲波段外金属激发的表面等离激元可以与hBN中的部分声子激元耦合。
这两种耦合模态的出现可以将电磁波压缩在远小于入射波长的纳米级别的微小体积中(中间二维材料的厚度约为入射电磁波波长的1/50)，强烈地增强了光-物质的相互作用，从而实现宽谱高吸收。
如图1所示，本发明专利使用新型二维材料hBN，其可以在中红外波段支持较强的声子极化激元。吸收组件的整体厚度为550nm(约为宽谱吸收谱段中间波长的1/14)，第一吸收单元2、第二吸收单元3和第三吸收单元4的厚度分别为d1＝150nm，d3＝150nm，d5＝230nm。两层金属激发单元5的厚度为d2＝d4＝10nm，激发单元5材料使用金。周期阵列单元的一个周期长度为Λ＝2000nm，梯形上部宽度为tt＝1000nm，底部宽度tb＝2000nm。
如图2所示，可以看出基于hBN/Au超表面的中红外宽谱吸收器可以实现宽谱段的高吸收，其中在6.26μm<λ<7.60μm波段平均吸收率高达95％以上，相比于相同结构参数只包含均质hBN材料的吸收器，吸收谱被大大拓宽，在λ＝7.30μm两者都有较高的吸收，这是由于hBN材料固有的本征吸收导致的。
能量耗损分布密度是表征电磁波在吸收器中转化成热量的参数。在波长为λ＝6.45μm(图3a所示)，λ＝6.86μm(图3b所示)时位于hBN的双曲波段，可以从图中看出hBN层所在的对应位置有曲折的双曲声子极化激元被激发、逐渐吸收，在金属层因为表面等离激元的存在使得能量被金属也有较大的吸收。而对于hBN双曲波段之外λ＝7.60μm(图3c所示)时，没有双曲声子极化激元的存在，能量主要被金属层吸收。图3a～3c中，w(x，y，z)表示能量耗损分布，表征的是入射的电磁波在吸收器中各位置处转化为热能的定量分布。表达式为：
Figure BDA0001625339160000041
其中Ex，Ey，Ez分别表示在某位置处三个方向上的电场大小，ε″x，ε″y，ε″z为介电函数的虚部，ε″的数值越大说明电磁波在该材料中传输时耗损越大。
如图4所示，通过不同材料的能量吸收百分比可以定量地衡量材料在整个宽谱吸收中所发挥的作用。可以看出在双曲波段由于hBN可以激发双曲声子，金属层可以激发表面等离激元，两种材料在这个谱段范围对于高吸收的作用相当。而在双曲波段之外，由于不存在hBN的双曲声子极化激元，吸收主要由于金属层，两个金属层一是用来激发hBN材料中的双曲声子激元，二是激发等离激元并耦合双曲声子。当然金属层同时也会吸收电磁波。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种宽谱吸收器，其特征在于，包括：
基底；
吸收组件，多个所述吸收组件间隔设置在所述基底上，形成周期性阵列；
激发单元，所述激发单元嵌入在所述吸收组件内；其中
所述吸收组件的材质为六方氮化硼；
所述吸收组件为梯形；
所述吸收组件的上底边长度为1000nm，所述吸收组件的下底边长度为2000nm，所述吸收组件的高度为550nm；
所述激发单元为两层，两层所述激发单元间隔设置在所述吸收组件内，两层所述激发单元将所述吸收组件分为第一吸收单元、第二吸收单元及第三吸收单元；其中
所述第三吸收单元设置在所述基底上；
所述第一吸收单元的高度为150nm，所述第二吸收单元的高度为150nm，所述第三吸收单元的高度为230nm；所述激发单元的高度为10nm。
2.根据权利要求1所述的宽谱吸收器，其特征在于，相邻的所述吸收组件之间的间距为2000nm。
3.根据权利要求1所述的宽谱吸收器，其特征在于，所述激发单元为金属激发单元。
4.根据权利要求3所述的宽谱吸收器，其特征在于，所述激发单元的材质为金。
5.根据权利要求1所述的宽谱吸收器，其特征在于，所述基底包括：
衬底；
金属膜，所述金属膜设置在所述衬底上。
6.根据权利要求5所述的宽谱吸收器，其特征在于，所述衬底的材质为硅或二氧化硅。
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