CN109270609A - 一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，具体涉及到基于金属‑介质周期膜堆的双曲色散特性，结合亚波长光栅结构，针对TM偏振入射光，利用双曲超材料光栅的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。在确定金属和介质材料参数基础上，通过优化光栅脊宽度、金属膜层厚度、介质膜层厚度和膜堆数，可以在不同波段实现光吸收率的选择性吸收增强。通过调节光栅脊宽度，可以实现吸收峰位置的选择，且结构的选择吸收特性对金属‑介质膜堆数不敏感，具有很高的实验容差，因此，本发明在增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域有应用前景。实际应用中可以根据需要灵活选取恰当的膜堆数。

Description

一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器

技术领域

本发明涉及微机电系统、光电探测领域，特别是一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器。

背景技术

色散特性通常指介电常数或磁导率随波长变化的特性。当特定的两种材料按照一定方式组合后，即会在特定的波段(频段)出现双曲色散特性，该组合材料称之为双曲超材料，而该特定的波段为双曲波段(双曲波段表现出双曲色散曲线)。在双曲波段中，双曲超材料介电常数或磁导率张量在某一方向为负值，而在其他两个方向为正值。双曲超材料是一种各向异性材料，这种各向异性结构的超材料具有独特的双曲色散特性。双曲超材料吸波器是一种利用双曲色散特性实现吸收增强的光学元件，这类吸波器件基于金属-介质周期膜堆结构，通过结构参数调控以及膜系设计，在结构中产生光场局域和电磁场增强效应，实现光吸收率的增强。这类结构可以根据需要灵活选取膜层数以及膜层材料，制造工艺较简单，吸收性能好，在成像系统、微型天线、智能通信以及光电探测等领域有重要应用价值。

近年来，研究发现将双曲超材料与微纳结构相结合可以增强光吸收率，主要有两种方式：第一种是在双曲超材料膜堆上方引入微结构，通过微结构调控入射光在双曲超材料膜堆中的电磁场增强，实现光吸收率的增强；第二种方法是基于双曲超材料的微结构设计，通过微结构面型优化，比如采用锯齿状一维光栅结构，或二维锥状微结构阵列，实现光吸收率的增强。上述方法尽管均基于双曲超材料微结构实现的吸收增强，且光吸收效率高，但均针对宽带吸收，所获得的吸波器不具备良好的选择性吸收功能。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的双曲超材料吸波器中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中的一个目的是提供一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其通过调节光栅脊宽度，可以选择吸收峰位置，且结构的选择性吸收特性对金属-介质膜堆数变化不敏感，选择性吸收特性好。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其包括，在双曲超材料膜堆的双曲色散特性基础上，将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，得到双曲超材料光栅，并利用所述双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料膜堆为金属-介质周期膜堆。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述入射光为TM偏振光，并选取其波段为可见光到近红外。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：当所述金属-介质周期膜堆的一个周期的厚度t_m+t_d远小于入射光波长λ时，金属-介质周期膜堆可以等效为一个各向异性的均匀媒质，对于沿平行和垂直于金属-介质交界面方向的电场，其等效介电常数ε_||和ε_⊥分别为：

ε_||＝fε_m(ω)+(1-f)ε_d、1/ε_⊥＝[f/(ε_m(ω))]+[(1-f)/ε_d]；其中，ε_m和ε_d分别为金属和介质的介电常数，f＝t_m/(t_m+t_d)。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：当所述等效介电常数ε_||或ε_⊥小于零时，所述金属-介质周期膜堆具有双曲色散特性，并在所述双曲波段内表现出双曲色散曲线。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，其为，所述双曲超材料膜堆通过等距阵列排布形成以光栅周期P为固定周期的双曲超材料光栅。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料光栅的光栅周期P小于入射光波长λ。

作为本发明所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：吸收光谱曲线在所述双曲波段内具有吸收峰，所述双曲超材料光栅能够在所述吸收峰处实现光吸收率的选择性吸收增强；通过改变光栅脊的宽度，能够调整所述吸收峰所对应的波段的位置，通过选择不同的光栅脊宽度W能够选择性吸收入射光中不同波段的光。

本发明的另一个目的是提供一种吸波器，其基于所述双曲超材料光栅，具备优良的选择性吸收特性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种吸波器，其包括所述双曲超材料光栅，所述双曲超材料光栅由所述双曲超材料膜堆进行横向等距阵列形成，且所述双曲超材料光栅为亚波长光栅结构，其光栅周期P小于入射光波长λ；所述双曲超材料膜堆由金属和介质依次堆叠形成。

作为本发明所述吸波器的一种优选方案，其中：所述双曲超材料光栅为自支撑结构或带基底结构，所述带基底结构为将所述双曲超材料光栅设置于基底上，所述基底为所述双曲超材料的支撑物。

本发明的有益效果：本发明通过通过调节光栅脊宽度，可以实现吸收峰位置的选择，且结构的选择吸收特性对金属-介质膜堆数以及入射光的入射角度不敏感，具有很高的实验容差，选择性吸收特性好，并可以灵活选取光栅膜堆数来实现对入射光的优良选择吸波性能。因此，本发明在增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域有应用前景。实际应用中可以根据需要灵活选取恰当的膜堆数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一、二个实施例所述的整体结构示意图。

图2为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的等效介电常数分量ε_||和ε_⊥随波长变化的曲线图。

图3为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的光栅脊宽度W＝375nm时的吸收光谱曲线图。

图4为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的光栅脊宽度W发生变化时的吸收光谱曲线图。

图5为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的膜堆数发生改变时的吸收光谱曲线图。

图6为本发明利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的入射角发生变化时的吸收光谱曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

参照图1～3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法。由图1可知：

本发明提出一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，具体涉及到基于双曲超材料膜堆的双曲色散特性，结合亚波长光栅结构(将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构)形成双曲超材料光栅，针对TM偏振入射光，利用双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。基于此，通过改变光栅脊的宽度(采用电子束刻蚀或离子束辅助刻蚀等方法制备光栅结构)，可以选择吸收峰的位置，且双曲超材料光栅结构的选择性吸收特性对双曲超材料膜堆的膜堆数变化不敏感，其选择性吸收特性好，并可以灵活选取光栅膜堆数来实现优良的选择吸波性能。本发明所述的“吸收峰”为本发明中吸收光谱曲线图上的峰值前后的凸起区域。

本发明中的双曲超材料膜堆为金属-介质超材料膜堆；选择性吸收特性为双曲超材料光栅结构对于入射光中的特定波段具有吸收增强(高吸收率)的性能；亚波长光栅结构是指双曲超材料光栅的光栅周期小于入射光波长；膜堆数为金属-介质超材料膜堆中金属的层数(或者介质的层数)。

具体的，所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法如下：

图1为双曲超材料光栅的整体结构，它是在金属-介质超材料膜堆基础上，采用亚波长光栅结构实现；其中：t_m为金属膜层厚度，t_d为介质膜层厚度，n_m和n_d分别为金属和介质材料的折射率，n_c和n_s分别为入射媒质和基底(基底是光学元件的支撑物，如玻璃、硅片等)的折射率，H为光栅深度，P为光栅周期，W为光栅脊宽度。由图1可知：金属和电介质依次间隔堆叠形成一个金属-介质周期膜堆(该金属-介质周期膜堆的周期为t_m+t_d)，若将该金属-介质周期膜堆横向等距阵列排布有多组，则形成双曲超材料光栅。由于本发明采用亚波长光栅结构，因此设定双曲超材料光栅的光栅周期P小于入射光波长λ。

对于其中任一组金属-介质周期膜堆结构，当它一个周期的厚度t_m+t_d远小于入射光波长λ时，金属-介质周期膜堆可以等效为一个各向异性的均匀媒质，根据有效媒质理论，对于沿平行和垂直于金属-介质交界面方向的电场，其等效介电常数ε_||和ε_⊥分别为：

ε_||＝fε_m(ω)+(1-f)ε_d＜0 (1)

1/ε_⊥＝[f/(ε_m(ω))]+[(1-f)/ε_d] (2)

其中，ε_m和ε_d分别为金属和介质的介电常数，金属材料的占空比f为：

f＝t_m/(t_m+t_d) (3)

对于金属-介质周期膜堆结构，基于结构的双曲色散特性，在双曲波段，介电常数或磁导率张量在某一方向为负值，即结构的等效介电常数ε_||或ε_⊥小于零(双曲色散特性是指双曲超材料光栅结构的色散特性表现出双曲色散曲线分布，当介电常数或磁导率张量在某一方向为负值，即此处的等效介电常数ε_||或ε_⊥小于零时，对应波段就是双曲波段，其具有双曲色散特性)。

在本发明中，可以任意选择金属和介质材料进行双曲超材料膜堆设计，在可见光至近红外波段，该双曲超材料膜堆的设计波长(设计波长指目标波长范围，这里为可见光至近红外波段)和金属-介质材料可以根据实际需要选取。针对TM偏振，假定选取的波段在可见光到近红外波段，同时采用Ag和SiO₂两种材料进行设计，Ag的折射率取自Palik数据库，SiO₂的折射率n_d＝1.47，Ag和SiO₂薄膜的厚度分别为t_m＝10nm，t_d＝35nm，入射媒质为空气。根据公式(1)～(3)，可以分别计算出等效介电常数分量ε_||和ε_⊥随入射波长λ的变化关系，如图2所示。从图2可见，当入射光波长λ>500nm时，等效介电常数的平行分量ε_||＜0，此时波长λ>500nm的波段即为双曲波段，也即：在此波段中Ag-SiO₂周期膜堆具有双曲超材料色散特性。

基于上述，针对垂直入射的TM偏振光，将Ag-SiO₂周期膜堆排列调整为亚波长光栅结构(即制成双曲超材料光栅)，这里假设光栅层下方Ag薄膜的厚度较大，比如厚度为100nm，由于这一厚度高于Ag在可见光至近红外波段的趋肤深度(约几十纳米)，因此结构中没有透射光，且由于采用亚波长光栅结构，因此结构对应的光吸收率A＝1-R，其中R为光谱反射率。假设选取Ag-SiO₂膜堆的膜堆数为8，对应的光栅脊深度H＝360nm，选取光栅周期P＝500nm，通过调整光栅脊宽度W，可以实现双曲超材料光栅结构对入射光某一指定波段范围的选择性吸收增强。图3为选取光栅脊宽度W＝375nm时，采用光栅矢量衍射理论计算的吸收光谱曲线，可以看到，在双曲波段内产生了吸收峰(选择性吸收增强通道)，由于这里选取的光栅深度较大，使得双曲超材料光栅之间的电磁场实现较佳的耦合，导致两个吸收峰的产生。此外，两个吸收峰的对应吸收带宽均较小，且光吸收率高，因而双曲超材料光栅结构对应的选择性吸收特性优良。

若保持其他条件不变，仅改变光栅脊宽度W，相邻两个光栅脊之间的距离将发生改变，即可改变双曲超材料光栅的电磁场耦合，进而可以调整吸收峰所在的位置(此处的“位置”为吸收峰对应的波段)。在图3的参数条件下，选取不同的光栅脊宽度W，比如W分别取345nm、375nm、405nm，采用矢量衍射理论计算双曲超材料光栅的吸收光谱曲线，得到图4的计算结果。从图4可见，当光栅脊宽度W发生改变时，双曲超材料光栅吸收光谱曲线图的峰值位置变化显著，基于波导模式理论，光栅脊宽度W增加，导致双曲超材料光栅结构的等效介电常数增大，使得吸收峰位置随光栅脊宽度W增加而红移。此外，尽管吸收峰位置受光栅脊宽度W变化影响显著，但本发明始终保持良好的选择性吸收性能，因此可以通过选择不同的光栅脊宽度W来选择性吸收入射光中不同波段的光。

在图3的参数条件下，维持单层Ag和SiO₂薄膜厚度不变，并选取不同的双曲超材料光栅Ag-SiO₂薄膜的膜堆数，比如膜堆数分别为8、10和16时，采用矢量衍射理论计算光吸收率与膜堆数之间的关系，得到图5的计算结果。从图5可见，双曲超材料光栅的选择性吸收特性对膜堆数变化具有很高的容差(不敏感)，当膜堆数从8增加至16时，两个吸收峰的峰值对应的光吸收效率均高于90％，且保持良好的选择性吸收性能，因此可以根据需要灵活选取恰当的膜堆数。在图3的参数条件下，改变入射光的入射角度，采用矢量衍射理论计算双曲超材料光栅的吸收光谱曲线，得到图6的计算结果。从图6可见，当入射角由0°变化到10°时，尽管两个吸收峰位置发生一定移动，但依然具有良好的选择性吸收增强性能。也即是该结构的选择性吸收特性具有较大的角度容差，这在实际应用中具有较大优势。

在实际应用中，Ag-SiO₂周期膜堆可以采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜方式制备，由多组Ag-SiO₂周期膜堆组成的双曲超材料光栅结构的制备可以采用电子束刻蚀或反应离子束刻蚀等方法制备，最终获得的双曲超材料光栅可以是自支撑结构或带基底结构。此处的“自支撑结构”是指双曲超材料光栅单独存在，不需要设置在基底上；“带基底结构”是指双曲超材料光栅依附设置在基底上，本发明中的基底是光学元件的支撑物，如玻璃、硅片等。

如图1，本发明的第二个实施例，该实施例提出一种吸波器，该吸波器基于上述的双曲超材料膜堆及其双曲超材料光栅。

具体的，一种吸波器包括上述的双曲超材料光栅，该双曲超材料光栅由双曲超材料膜堆进行横向等距阵列形成，且所述双曲超材料光栅为亚波长光栅结构，其光栅周期P小于入射光波长λ。

进一步的，双曲超材料膜堆由金属和介质依次堆叠形成，此处的双曲超材料膜堆可以选择任意金属和介质材料来实现。

进一步的，双曲超材料光栅为自支撑结构或带基底结构，所述带基底结构为将所述双曲超材料光栅设置于基底上，所述基底为所述双曲超材料的支撑物。综上，自支撑结构或带基底结构的双曲超材料光栅均为上述的吸波器。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：包括，

在双曲超材料膜堆的双曲色散特性基础上，将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，得到双曲超材料光栅，并利用所述双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。

2.如权利要求1所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述双曲超材料膜堆为金属-介质周期膜堆。

3.如权利要求1或2所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述入射光为TM偏振光，并选取其波段为可见光到近红外。

4.如权利要求3所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：当所述金属-介质周期膜堆的一个周期的厚度t_m+t_d远小于入射光波长λ时，金属-介质周期膜堆可以等效为一个各向异性的均匀媒质，对于沿平行和垂直于金属-介质交界面方向的电场，其等效介电常数ε_||和ε_⊥分别为：

ε_||＝fε_m(ω)+(1-f)ε_d；

1/ε_⊥＝[f/(ε_m(ω))]+[(1-f)/ε_d]；

其中，ε_m和ε_d分别为金属和介质的介电常数，f＝t_m/(t_m+t_d)。

5.如权利要求4所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：当所述等效介电常数ε_||或ε_⊥小于零时，所述金属-介质周期膜堆具有双曲色散特性，并在所述双曲波段内表现出双曲色散曲线。

6.如权利要求1、2、4或5所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，其为，所述双曲超材料膜堆通过等距阵列排布形成以光栅周期P为固定周期的双曲超材料光栅。

7.如权利要求6所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述双曲超材料光栅的光栅周期P小于入射光波长λ。

8.如权利要求1或7所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：吸收光谱曲线在所述双曲波段内具有吸收峰，所述双曲超材料光栅能够在所述吸收峰处实现光吸收率的选择性吸收增强；

通过改变光栅脊的宽度，能够调整所述吸收峰所对应的波段的位置，通过选择不同的光栅脊宽度W能够选择性吸收入射光中不同波段的光。

9.一种吸波器，其特征在于：包括权利要求1或6～8所述的双曲超材料光栅，所述双曲超材料光栅由所述双曲超材料膜堆进行横向等距阵列形成，且所述双曲超材料光栅为亚波长光栅结构，其光栅周期P小于入射光波长λ；

所述双曲超材料膜堆由金属和介质依次堆叠形成。

10.如权利要求9所述的吸波器，其特征在于：所述双曲超材料光栅为自支撑结构或带基底结构，所述带基底结构为将所述双曲超材料光栅设置于基底上，所述基底为所述双曲超材料的支撑物。