CN109521505A

CN109521505A - 一种光学吸收多层膜

Info

Publication number: CN109521505A
Application number: CN201710853669.9A
Authority: CN
Inventors: 赖耘; 罗杰
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: CN109521505B

Abstract

本发明提供了一种光学吸收多层膜。该光学吸收多层膜包括：多层第一光学膜；多层第二光学膜，其与多层第一光学膜交替排列，以形成层数为奇数的奇数层膜，奇数层膜的最外两层膜均为第一光学膜，第一光学膜的折射率大于第二光学膜的折射率；第一和第二外层膜，其分别与最外两层膜相邻布置；其中，第一光学膜和/或第二光学膜的材料选择为光吸收材料，第一和第二外层膜的折射率选择成与第二光学膜的折射率相同或相近，且第一和第二外层膜的厚度均是第二光学膜的厚度的45％‑50％。该光学吸收多层膜，对于横电光波实现了近乎全角度的完美吸收，对于横磁光波能够实现宽角度，即0‑40°范围内的完美吸收，且在0‑70°的角度范围内有大于70％的吸收率。

Description

一种光学吸收多层膜

技术领域

本发明涉及光学吸收材料领域，特别是涉及一种光学吸收多层膜。

背景技术

光学吸收材料在光电探测器、太阳能电池、微型辐射热计和热成像系统等领域中有着极其重要的应用。

提高普通吸收材料的吸收能力的传统方法是利用减反膜，比如，在吸收材料表面上镀上一层或多层减反膜来消除光波反射，进而让光波完全进入吸收材料中，并在光波传播的过程中被逐渐吸收。尽管这种减反膜可以消除某一或某些入射角下的反射波，但对于大的入射角(>70°)或者是对于一个较宽的角度范围，该种减反膜的减反效果则很有限，因此，这种方法不能实现全角度的完美吸收。此外，也可以利用“蛾眼”型涂层来获得缓慢连续变化的阻抗来消除吸收材料表面上的反射，但由于“蛾眼”型涂层的一些凹凸结构会影响到整个材料的平整度，因此，这种方法不适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

近些年，研究人员提出了一种利用光学超材料实现完美吸收的方法。超材料是一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过调节超材料的设计结构和尺寸可以调控其有效电磁参数，从而获得阻抗匹配和光学的完美吸收。但对于大入射角(如入射角为70°)的光波，则难以实现全角度的完美吸收，同时其复杂的结构也会极大增加设计难度以及制作成本。

发明内容

本发明的一个目的是设计在近乎任意入射角下都能实现对横电光波完美吸收的光学吸收材料。

本发明的另一个目的是设计对横磁光波有宽角度的完美吸收效果，同时该完美吸收效果具有一定的带宽的光学吸收材料。

本发明提出的一种光学吸收多层膜，包括：

多层第一光学膜；

多层第二光学膜，其与所述多层第一光学膜交替排列，以形成层数为奇数的奇数层膜，所述奇数层膜的最外两层膜均为所述第一光学膜，所述第一光学膜的折射率大于所述第二光学膜的折射率；

第一和第二外层膜，其分别与所述最外两层膜相邻布置；

其中，所述第一光学膜和/或所述第二光学膜的材料选择为光吸收材料，所述第一和第二外层膜的折射率选择成与所述第二光学膜的折射率相同或相近，且所述第一和第二外层膜的厚度均是所述第二光学膜的厚度的45％-50％。

进一步地，所述第一和第二外层的厚度均是所述第一光学膜的厚度的 50％。

进一步地，所述第一光学膜的厚度为30-80nm，所述第二光学膜的厚度为 80-120nm。

进一步地，所述第一光学膜的厚度为50nm，所述第二光学膜的厚度为 100nm。

进一步地，所述第一和第二外层膜的材料相同或不同。

进一步地，所述第一和第二外层膜的材料均选择成与所述第二光学膜的材料相同。

进一步地，所述奇数层膜的层数小于或等于一预设层数。

进一步地，所述光学吸收多层膜对具有0-90°入射角的横电光波的吸收率大于或等于99％。

进一步地，所述光学吸收多层膜对具有0-40°入射角的横磁光波的吸收率大于或等于99％。

进一步地，所述光学吸收多层膜对具有40-70°入射角的横磁光波的吸收率大于70％。

通常情况下，由于空气和普通光学吸收材料的折射率不同，使得空气和吸收材料中的光波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生和光波的不完美吸收。然而，发明人惊奇地发现，在本发明的光学吸收多层膜中，通过合理的设计能够在第一光学膜中形成较强的光学共振模态来匹配空气和吸收材料中的光波，而位于外侧的第一和第二外层膜能够实现空气中光波和高折射率材料中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，实现了意想不到的技术效果。

本申请的发明人发现，普通的光学吸收材料和空气的阻抗不匹配，两者界面上总是存在着反射波，因而无法实现完美吸收，尤其是当入射角比较大时，材料对光波的吸收率往往会大大降低。然而，本申请可以通过调节第一光学膜和第二光学膜的厚度，来使得该光学吸收多层膜对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-90°)的完美吸收(吸收率99％)，这个原理在于，该光学吸收材料与空气间的全角度阻抗匹配效应。

此外，第一光学膜和第二光学膜的选取可以是多样的，例如，可以是五氧化二钽Ta₂O₅、氮化硅SiN_x、SiO₂、TiO₂、Si和Ge等。因此，在实际应用中，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的材料，这极大地拓展了该光学吸收多层膜的应用领域。

综上所述，发明人通过设计简单的光学膜结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的光学吸收多层膜，对于横电光波实现了近乎全角度的完美吸收(能量吸收率≥99％)，对于横磁光波能够实现宽角度(0-40°)的完美吸收(能量吸收率≥99％)，且在0-70°的角度范围内有大于70％的吸收率。更意外的是，该光学吸收多层膜对一定带宽(400nm-650nm)的光波都有宽角度的完美吸收效果。此外，该光学吸收多层膜具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对600nm波长光波的吸收率随入射角的变化曲线；

图3是根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对横电光波的吸收率随光波波长和入射角的变化图；

图4是根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对横磁光波的吸收率随入射角的变化图；

附图标记：

110-第一光学膜，

120-第二光学膜，

130-第一外层膜，

140-第二外层膜。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜的示意性结构图。如图1所示，该光学吸收多层膜包括第一光学膜110、第二光学膜120、第一外层膜130和第二外层膜140。该第一光学膜110和第二光学膜120的层数可以为多层，并且该多层第一光学膜110与多层第二光学膜120交替排列。多层第一光学膜110与多层第二光学膜120一起形成层数为奇数的奇数层膜，并且奇数层膜的最外两层膜均为第一光学膜110，其中，第一光学膜110的折射率大于第二光学膜120的折射率。第一外层膜130和第二外层膜140分别与最外两层膜相邻布置。其中，第一光学膜110和/或第二光学膜120的材料选择为光吸收材料，第一外层膜130和第二外层膜140的折射率选择成与第二光学膜120 的折射率相同或相近，且第一外层膜130和第二外层膜140的厚度均是第二光学膜120的厚度的45％-50％。

其中，第一光学膜110和第二光学膜120的折射率的高低是相对的。例如，当选用二氧化硅SiO₂(折射率约为1.5)作为第二光学膜120的材料时，则第一光学膜110的材料可以是二氧化钛TiO₂(折射率约为2.4)，硅Si(折射率约为4)或锗Ge(折射率约为5)等。而如果选用TiO₂作为第二光学膜120 的材料，则第一光学膜110的材料可以是Si或Ge等。

在一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140的厚度均是第二光学膜120的厚度的一半。在另一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140 的厚度均是第二光学膜120的厚度45％、46％、47％、48％或49％。在一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140的厚度相等。在另一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140的厚度不相等。

在一个实施例中，第一光学膜110的厚度为30nm、40nm、50nm、60nm、 70nm或80nm，也可以为30-80nm中任一数值。第二光学膜120的厚度为80 nm、90nm、100nm、110nm或120nm，也可以为80-120nm中任一数值。在另一实施例中，第一光学膜110的厚度约为50nm，第二光学膜120的厚度约为100nm。在设计中，可以通过调整第一光学膜110和第二光学膜120的厚度来改变工作波长。

在一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140的材料为相同材料。在一个实施例中，该第一外层膜130和第二外层膜140的材料与第二光学膜120 的材料为相同材料。在另一个实施例中，第一外层膜130和第二外层膜140的材料为不同材料。

其中，该奇数层膜的层数小于或等于一预设层数以保证近乎全角度的完美吸收。当该奇数层膜的层数超过该预设层数后，所制作出的光学吸收多层膜对光波吸收率则几乎不产生影响。

通常情况下，由于空气和普通光学吸收材料的折射率不同，使得空气和吸收材料中的光波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生和光波的不完美吸收。然而，发明人惊奇地发现，在本发明的光学吸收多层膜中，通过合理的设计能够在第一光学膜110中形成较强的光学共振模态来匹配空气和吸收材料中的光波，而位于外侧的第一外层膜130和第二外层膜140能够实现空气中光波和高折射率材料中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，实现了意想不到的技术效果。

本申请的发明人发现，普通的光学吸收材料和空气的阻抗不匹配，两者界面上总是存在着反射波，因而无法实现完美吸收，尤其是当入射角比较大时，材料对光波的吸收率往往会大大降低。然而，本申请可以通过调节第一光学膜 110和第二光学膜120的厚度，来使得该光学吸收多层膜对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-90°)的完美吸收(吸收率99％)，这个原理在于，该光学吸收材料与空气间的全角度阻抗匹配效应。

此外，第一光学膜110和第二光学膜120的选取可以是多样的，例如，可以是五氧化二钽Ta₂O₅、氮化硅SiN_x、SiO₂、TiO₂、Si和Ge等。因此，在实际应用中，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的材料，这极大地拓展了该光学吸收多层膜的应用领域。

并且，该光学吸收多层膜对入射角为0-90°，例如0°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、85°或90°的横电光波的能量吸收率可以达到甚至超过99％。该光学吸收多层膜对入射角为0-40°，例如0°、20°、30°或40°的横磁光波的能量吸收率可以达到甚至超过99％。该光学吸收多层膜对入射角为40-70°，例如40°、50°、60°或70°的横磁光波的能量吸收率可以达到甚至超过70％。

在一个具体的实施例中，第一光学膜110的材料选为Si材料，其折射率为 3.95+0.026i，厚度为33nm。第二光学膜120的材料选为TiO₂材料，其折射率为2.4，厚度为101nm。第一光学膜110和第二光学膜120的总层数为1001。第一外层膜130和第二外层膜140的材料均选TiO₂材料，并且该第一外层膜 130和第二外层膜140的厚度均为50.5nm，由上述多层第一光学膜110、多层第二光学膜120、第一外层膜130和第二外层膜140组成的光学吸收多层膜记为Si-TiO₂多层膜。

在一个实施例中，以入射光波为横电光波(电场平行于光学吸收多层膜表面)为例进行说明。在该实施例中，横电光波的波长为600nm，且入射光波从空气中入射到光学吸收多层膜中。

图2示出了根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对600nm波长光波的吸收率随入射角的变化曲线。如图2所示，图中实线为Si-TiO₂多层膜对横电光波的吸收率，可以看到，随着入射角的增大，吸收率几乎始终为100％，直到入射角大于85°时，透射率才发生明显的下降。作为对比，计算了同样厚度的Si对横电光波的吸收率，如图2中的虚线所示，可以看到，即使在正入射下 Si的吸收率也只有70％，而且吸收率会随着入射角的增大而迅速降低。由此可知，Si-TiO₂多层膜可以对横电光波实现近乎全角度的完美吸收。

图3示出了根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对横电光波的吸收率随光波波长和入射角的变化图。如图3所示，在计算时，发明人考虑了Si材料的色散，即Si的折射率随波长的变化关系。图3中白色区域代表近100％的完美吸收。由图3可知，Si-TiO₂多层膜除了对600nm波长的光波能实现近乎全角度的完美吸收，还能够对400nm-650nm的光波实现宽角度的完美吸收。

图4示出了根据本发明一个实施例的光学吸收多层膜对横磁光波的吸收率随入射角的变化图。如图4所示，对于入射光波为横磁光波(磁场平行于吸收材料表面)的情况，尽管不能实现全角度的完美吸收，但是0-40°的宽角度的完美吸收也较为容易地实现了，且在0-70°的角度范围内有>70％的吸收率。

根据本发明的方案，发明人通过设计简单的光学膜结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的光学吸收多层膜，对于横电光波实现了近乎全角度的完美吸收(能量吸收率≥99％)，对于横磁光波能够实现宽角度(0-40°)的完美吸收(能量吸收率≥99％)，且在0-70°的角度范围内有大于70％的吸收率。更意外的是，该光学吸收多层膜对一定带宽(400nm-650nm)的光波都有宽角度的完美吸收效果。此外，该光学吸收多层膜具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种光学吸收多层膜，其特征在于，包括：

多层第一光学膜；

第一和第二外层膜，其分别与所述最外两层膜相邻布置；

2.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述第一和第二外层的厚度均是所述第一光学膜的厚度的50％。

3.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述第一光学膜的厚度为30-80nm，所述第二光学膜的厚度为80-120nm。

4.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述第一光学膜的厚度为50nm，所述第二光学膜的厚度为100nm。

5.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述第一和第二外层膜的材料相同或不同。

6.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述第一和第二外层膜的材料均选择成与所述第二光学膜的材料相同。

7.根据权利要求1所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述奇数层膜的层数小于或等于一预设层数。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述光学吸收多层膜对具有0-90°入射角的横电光波的吸收率大于或等于99％。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述光学吸收多层膜对具有0-40°入射角的横磁光波的吸收率大于或等于99％。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的光学吸收多层膜，其特征在于，所述光学吸收多层膜对具有40-70°入射角的横磁光波的吸收率大于70％。