CN111273384B - 一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外‑可见光‑近红外波段的超宽带吸收器，包括若干个周期阵列排布的单元，每个单元包括依次设置的底层金属、中间介质层和顶层金属，底层金属、中间介质层和顶层金属的几何中心重合，中间介质层和顶层金属的结构相同。本发明的吸收器能够实现从紫外到近红外波段的超宽带吸收，结构简单，易于大规模的生产，与偏振无关，并且在大角度斜入射时仍然有较高的吸收率。

Description

一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器
技术领域
本发明属于光电材料和电磁波吸收器技术领域，涉及一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器。
背景技术
随着科学技术的发展，电磁吸收器在光电探测器、热发射器、紫外防护以及军事隐身等众多领域得到了广泛应用。
表面等离激元是指入射的电磁波和金属表面的自由电子相互作用而形成的一种电磁振荡现象，分为两种表现形式：一是沿金属表面传播的表面等离子体激元(SPPs)，其具有波长小，电磁场分布高度局域化的特点；二是局域表面等离激元(LSPs)，通常出现在亚波长金属颗粒中，是一种非传导的形式。近年来，利用表面等激元共振的机理设计吸收器被众多研究人员所关注，这种机制吸收率高、结构单元小且角度不敏感。特别是利用超材料激发表面等离激元，超材料是指经过人工设计单元结构来改变材料的介电常数和磁导率所得的一种复合材料，它与自然界中的传统材料有着十分不同的性质，可以通过调节结构单元的形状和材料性质进而对电磁波进行人为调控。由于超材料具有奇特的、可调控的电磁性质，因此超材料成为电磁吸收器领域研究的热点。
传统的宽带吸收器设计主要采用纵向堆叠或者通过横向混合多重共振来扩展吸收带宽，前者会增加吸收器件的厚度，不利于吸收器的集成，后者要求在一个结构单元中包含多个工作频率下的谐振单元，激发不同局域的等离激元来提高吸收能力，因此通过该方法设计的吸收器结构复杂，不易批量生产。在吸收器性能方面，目前已有的宽带吸收器能够实现对某一波段比如可见光或者近红外波段的完美吸收，但对于跨不同波段超宽带吸收的相关研究成果还相对较少，特别是从紫外到近红外波段的超宽带吸收器。目前所设计的吸收器也很难同时满足工作频率宽、偏振无关、大角度斜入射不敏感等特点，因此设计跨不同波段、偏振无关、结构简单的吸收器具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，具有吸收器覆盖波段宽、偏振无关且大角度入射不敏感的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，包括若干个周期阵列排布的单元，每个单元包括依次设置的底层金属、中间介质层和顶层金属，底层金属、中间介质层和顶层金属的几何中心重合，中间介质层和顶层金属的结构相同。
本发明的特点还在于：
中间介质层和顶层金属的结构为花瓣状结构。
花瓣状结构包括一个正方形和四个直径与该正方形边长相等的半圆，且四个半圆的直径侧与正方形的四边重合。
底层金属的材质为钛，厚度为220-230nm。
中间介质层的材质为二氧化硅，厚度为80-85nm。
顶层金属的材质为钛，厚度为15-20nm。
一个单元的周期为250nm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器实现了从紫外到近红外波段的超宽带吸收，解决了现有技术中吸收器工作频率窄以及跨波段宽带吸收的问题；
(2)本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，弥补了现有技术中吸收器设计结构复杂的缺陷；
(3)本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器与偏振无关，并且在大角度斜入射时仍然有较高的吸收率，在实际问题中斜入射比正入射的情况更具普遍性，因此该吸收器的适用范围广，可应用于探测、太阳能采集、信息传感等领域。
附图说明
图1是本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器的俯视图；
图2是本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器的单元结构示意图；
图3是电磁波正入射时本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器的吸收率、反射率和透射率曲线图；
图4是TE波和TM波入射时本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器的吸收率曲线图；
图5是TE波条件下不同角度斜入射时本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器的吸收率曲线图。
图中，1.单元，2.底层金属，3.中间介质层，4.顶层金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，如图1和图2所示，包括若干个周期阵列排布的单元1，一个单元的周期为250nm，每个单元1包括依次设置的底层金属2、中间介质层3和顶层金属4，底层金属2、中间介质层3和顶层金属4的几何中心重合，中间介质层3和顶层金属4的结构相同，中间介质层3和顶层金属4的结构为花瓣状结构，花瓣状结构包括一个正方形和四个直径与该正方形边长相等的半圆，且四个半圆的直径侧与正方形的四边重合；
底层金属2的材质为钛，厚度为220-230nm；
中间介质层3的材质为二氧化硅，厚度为80-85nm；
顶层金属4的材质为钛，厚度为15-20nm。
通过软件仿真对本发明的吸收器的性能进行验证：
一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，单元结构的周期p＝250nm，底层金属钛的厚度t1＝224nm，中间介质层二氧化硅的厚度t2＝80nm，顶层金属钛的厚度t3＝20nm，如图1所示，花瓣中心正方形的边长a＝124nm，半圆的半径b恰为正方形边长的一半，即b＝62nm。
利用软件FDTD solutions对本发明所设计的吸收器性能进行详细分析，设置x-y方向为周期边界，z方向为完美匹配层(PML)，光源选用平面波，在吸收器结构的下方放置监视器观测透射率T，在光源与仿真区域之间放置监视器观测反射率R，通过A＝1-T-R便可得到吸收器的最重要性能指标——吸收率。在正入射情况下，设置光源的模式为bloch/periodic，仿真计算可得在正入射情况下吸收器的透射率和反射率、吸收率曲线如图3所示，从图中可以看出波长在200-1500nm之间透射率始终为0，反射率小于0.1，无透射和低反射保证了吸收器的高吸收率。同时从图中可以看到在该波长范围内吸收器一直处于高吸收状态，平均吸收率为95.2％，最高吸收率可达99.61％，近乎完美吸收。
在不同偏振角度下入射时的吸收率曲线如图4所示，从图中可以看出TE波和TM波的吸收率曲线重合，因此本发明所设计的吸收器结构与偏振无关。
本实例在TE波的情况下，设置光源的模式为BFAST，仿真计算入射角度分别为0°、20°、40°和60°时的吸收率，结果如图5所示。从图中可以看出，入射角度为20°时和正入射的吸收率曲线基本重合，此时有优异的吸收性能，入射角度为40°和60°时在紫外和近红外波段吸收率有所降低，但是整体来看斜入射角度在60°以内时吸收率的最小值仍大于80％，经计算入射角度分别在20°、40°和60°时分别对应的平均吸收率为95.01％、94.97％和92.85％，均大于90％，因此本发明所提出的吸收器对于斜入射具有大的角度容忍性。
综上，本发明所提出的花瓣状从紫外到近红外波段的宽带吸收器具有工作频段宽、吸收率高、偏振无关以及大角度斜入射不敏感的特性，在实际工程中具有十分重要的意义。

Claims (1)

1.一种紫外-可见光-近红外波段的超宽带吸收器，其特征在于，包括若干个周期阵列排布的单元(1)，每个所述单元(1)包括依次设置的底层金属(2)、中间介质层(3)和顶层金属(4)，所述底层金属(2)、中间介质层(3)和顶层金属(4)的几何中心重合，所述中间介质层(3)和顶层金属(4)的结构相同；
所述中间介质层(3)和顶层金属(4)的结构为花瓣状结构；所述花瓣状结构包括一个正方形和四个直径与该正方形边长相等的半圆，且四个半圆的直径侧与正方形的四边重合；所述底层金属(2)的材质为钛，厚度为220-230nm；所述中间介质层(3)的材质为二氧化硅，厚度为80-85nm；所述顶层金属(4)的材质为钛，厚度为15-20nm；一个所述单元(1)的周期为250nm。
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