CN110687622A - 一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制备方法。该完美光学吸波器包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干矩形纳米结构周期排列组成，每个矩形纳米结构由三层相同大小的矩形非金属介质叠加组成，其材料从上到下依次为硅、二氧化硅、硅。超表面结构层的谐振腔与入射光具有强的光场耦合作用，吸收器可以实现明显偏振可调特性的双频完美吸收，同时获得偏振不敏感和偏振敏感吸收。本发明为高折射率介质谐振器和超材料的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角。

Description

一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制 备方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体涉及一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，在纳米尺度上，具有新颖光学特性和高度可调方法的结构越来越多，这引起了人们的广泛兴趣。近年来，等离子体金属纳米结构因其局域场增强和强光场与照明光的耦合而受到广泛关注。这些特性最终导致完美吸收剂和石墨烯相关的近完美吸收剂、太阳能收集、热蒸技术、表面增强光谱和传感等方面的潜在应用不断涌现。等离子体谐振腔的光学特性主要由尺寸、形状和环境介质决定。当系统具有不对称特性时，如光栅和贴片等，形成极化敏感的等离子体谐振结构是可行的；反之，当结构具有高度几何对称性时，也可以实现与偏振无关的共振吸收。然而，现存的超材料结构大多数仅仅是偏振相关或者偏振不相关的吸收，并没有实现可调谐的偏振吸收。

近年来，由金属/绝缘体层状结构形成的超材料吸收器已被提出用于窄带、宽带或多波段的光吸收。由于太阳光是具有不同的偏振态，因此大多数的研究都是用于产生与偏振无关的吸收。为了达到这一点，高对称性的结构特征是必要的。例如，在方形或六边形阵列中使用由圆盘或球体组成的谐振器来形成空间对称的吸收体，表现出高偏振不敏感的吸收。然而，光电子器件的吸收器通常需要具有高的可调谐吸收性能。受这一目的的启发，可以使用不对称结构来构成依赖偏振的吸收器。在金属谐振结构的基础上，利用不对称系统获得了可调极化的单波段或多波段吸收。然而，这些吸收带都通常遵循相同的可调行为。也就是说，偏振依赖的响应都是在多个波段上进行的。在许多应用中，需要吸收带对入射光偏振度响应不同的吸收器。因此，为了实现光电子器件进一步的人工操纵控制，引入不同偏振响应的双频吸收的行为是必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器及其制备方法。

本发明提供的一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干矩形纳米结构周期排列组成，每个矩形纳米结构由三层相同大小的矩形非金属介质叠加组成，其材料从上到下依次为硅、二氧化硅、硅。

进一步地，所述的金属基底层的材料为不透明金属，所述的非金属介质层的材料为二氧化硅。

进一步地，所述的的三层相同大小的矩形非金属介质的长均为300～400纳米，宽均为150～200纳米，厚度均为50纳米。

进一步地，所述的金属基底层的厚度为200～300纳米，所述的非金属介质层的厚度为50纳米。

进一步地，所述的不透明金属可以是金、银、铜或铝。

上述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的金属基底；

步骤2、在所述的金属基底上运用镀膜技术依次镀第一二氧化硅膜、第一硅膜、第二二氧化硅膜、第二硅膜；

步骤3、对所述的第二硅膜、第二二氧化硅膜、第一硅膜进行刻蚀，获得周期排列的矩形纳米结构，即得到所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器。

进一步地，所述的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。

进一步地，所述的刻蚀为电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀。

本发明的有益效果：本发明的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，能够实现双频完美吸收，同时获得了偏振不敏感和偏振敏感吸收；为高折射率介质谐振器和超材料的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角；在光电子、非线性光学、控制调制器和探测器等多功能器件上具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器的立体结构示意图。

图2为本发明的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在不同偏振度的入射光下的吸收光谱图。

图4为本发明实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在不同偏振度的入射光下对应的反射率强度的变化图。

图5为本发明实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在入射光偏振角度从0到90度变化时，吸收峰对应的波长位置的变化图。

图6和图7为本发明实施例1～9的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器对应的吸收光谱图。

具体实施方式

本发明的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器可以按照以下步骤制备：

步骤1、准备洁净的金属基底；

步骤2、在所述的金属基底上运用磁控溅射镀膜技术依次镀第一二氧化硅膜、第一硅膜、第二二氧化硅膜、第二硅膜；

步骤3、对所述的第二硅膜、第二二氧化硅膜、第一硅膜进行运用电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀技术，获得周期排列的矩形纳米结构，即得到所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器。

如图1和图2所示，得到的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，由下及上依次设有金属基底层1、非金属介质层2(即第一二氧化硅膜)和超表面结构层3，非金属介质层2连接于金属基底层上1上表面，超表面结构层3连接于非金属介质层2上表面。其中，超表面结构层3由矩形纳米结构4周期排列组成，每个矩形纳米结构4由三层相同大小的矩形非金属介质叠加组成，其材料由上到下依次为硅、二氧化硅、硅；每一层矩形非金属介质长为300～400纳米，宽为150～200纳米，厚度为50纳米。

改变刻蚀条件，即可形成不同尺寸的矩形纳米结构。下表显示了实施例1～9的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器的尺寸参数。

图3为实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在入射光偏振角度为0°和90°的吸收光谱。其中矩形纳米结构的长和宽分别设置为350纳米和175纳米，矩形纳米结构每层的厚度为50纳米；非金属介质层的厚度为50纳米；金属基底层的厚度为200纳米。

在图3中，实线为偏振角度为0°入射光的吸收图谱，可以看出其中有两个吸收峰。当偏振角度变为90°的时候，吸收图谱只呈现一个吸收峰(图中虚线)。长波长的吸收峰随着偏振角度的增加而减小，直至消失，呈现出了偏振敏感吸收；而短波长的吸收峰几乎不变，呈现出偏振不敏感吸收。

图4为实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在不同偏振度的入射光下对应的反射率强度的变化图。从图中可以看出随偏振角度从0°到90°变化时，两个吸收峰对应的反射率强度的变化图；以及与长波长吸收峰反射率变化与基于马吕斯定律的理想化偏振响应的强度变化曲线的对比。从图中可以看出长波长是随偏振角度改变而呈现可以定量化调控的吸收响应；而短波长对应的则基本与偏振角度改变无关。即，呈现了双重差异性的偏振调控下的双带完美光吸收。

图5为实施例3的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在入射光偏振角度从0到90度变化时，吸收峰对应的波长位置的变化图。随偏振角度从0到90度变化时，两个吸收峰对应的吸收峰波长位置的变化图；长波长吸收峰处的光谱位置没有变化，而短波长处吸收峰虽然有位置的变化，但前后位置只有3纳米的光谱范围的改变，非常微小，基本是共振吸收峰的光谱波动。这些说明此类吸收器在共振吸收峰光谱范围内保持了良好的光谱波长稳定性。

图6和图7为实施例1～9的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器(改变超材料结构参数)对应的吸收光谱图。从图中可以看出，吸收器的共振吸收强度，光谱工作波长可以进一步通过结构参数的改变进行调控。可以看出，当矩形超材料结构的长和宽的数值变大时，吸收峰红移，吸收强度也随之变化。图6和图7说明发明的的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器在可调谐光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。

综上所述，高折射率介质，如半导体，具有与入射光产生等离子体共振耦合的能力，类似于贵金属。电磁波入射到超表面结构层，与硅层的超表面结构共振耦合。当系统具有不对称特性时，系统可以实现偏振相关的吸收；反之，当结构具有高度几何对称性时，也可以实现与偏振无关的共振吸收。本发明的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器实现了实现双频完美吸收，短波长处的吸收峰偏振不敏感吸收，长波长处的吸收峰偏振敏感吸收；同时获得了偏振敏感和偏振不敏感吸收；通过调节超表面结构层的结构参数可以进一步调节吸收器的共振吸收强度，光谱工作波长；为高折射率介质谐振器和超材料的光学特性和共振行为的偏振处理提供了新的视角；拓展了可调谐光学吸波器的应用，在非线性光学、控制调制器、探测器、光电检测、光电转换、光生电子和热电子产生与收集领域有广阔的运用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，其特征在于：包括金属基底层、非金属介质层和超表面结构层，非金属介质层连接于金属基底层上表面，超表面结构层连接于非金属介质层上表面；其中，超表面结构层由若干矩形纳米结构周期排列组成，每个矩形纳米结构由三层相同大小的矩形非金属介质叠加组成，其材料从上到下依次为硅、二氧化硅、硅。

2.根据权利要求1所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，其特征在于：所述的金属基底层的材料为不透明金属，所述的非金属介质层的材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1或2所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，其特征在于：所述的的三层相同大小的矩形非金属介质的长均为300～400纳米，宽均为150～200纳米，厚度均为50纳米。

4.根据权利要求3所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，其特征在于：所述的金属基底层的厚度为200～300纳米，所述的非金属介质层的厚度为50纳米。

5.根据权利要求3所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器，其特征在于：所述的不透明金属是金、银、铜或铝。

6.根据权利要求1所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备洁净的金属基底；

步骤2、在所述的金属基底上运用镀膜技术依次镀第一二氧化硅膜、第一硅膜、第二二氧化硅膜、第二硅膜；

步骤3、对所述的第二硅膜、第二二氧化硅膜、第一硅膜进行刻蚀，获得周期排列的矩形纳米结构，即得到所述的偏振可调光谱双重差异性响应的完美光学吸波器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的镀膜技术为磁控溅射法、电子束蒸镀法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述的刻蚀为电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀。

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