CN111308588B

CN111308588B - 一种基于表面等离激元多频带完美吸收器

Info

Publication number: CN111308588B
Application number: CN202010209942.6A
Authority: CN
Inventors: 张彦军; 旷依琴
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111308588A

Abstract

本发明提供了一种基于表面等离激元多频带完美吸收器，包括基底、介质层和结构层，基底上方设有介质层，介质层上方设有结构层，结构层包括成矩阵分布的工字型单元，每个工字型单元由3个横截面为椭圆的柱体组成，工字型单元在x方向和y方向上周期性分布，柱体内设有用于控制光的偏振方向的偏振器。该吸收器通过周期性结构层、介质层之间相互作用，以及结构层、介质层和基底之间形成的F‑P腔，能够产生局域电场增强，使反射率趋于零；基底的趋肤深度大于电磁波的穿透度，可以使透射为零；并且光在介质层与基底之间会多次反射，增加吸收器的吸波能力，从而达到完美吸收；该完美吸收器具有偏振特性，可应用于高精确度要求的显示和成像领域。

Description

一种基于表面等离激元多频带完美吸收器

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离激元多频带完美吸收器，属于光电功能材料与器件技术领域。

背景技术

表面等离激元是金属表面的自由电子和光子相互作用产生的。当电磁波入射到金属表面时，可以激发金属表面的电子产生集体共振，形成局域场，可以突破光学衍射极限。随着对表面等离激元光学特性的深入研究，可以将表面等离激元应用于吸收器等方面。Landy等人在2008年首次提出并设计完美吸收器，证实了吸收器在微波波段能接近完美吸收的特点。随后，基于表面等离激元的完美吸收器的研究从微波波段向太赫兹波段、红外波段和可见光波段发展，可应用于太阳能电池、光电探测、生物传感器、显示和成像等领域。

吸收器是广泛应用于各领域的重要器件，研究吸收器有利于科技的发展和生活水平的提高，如何突破已有研究体系的局限是当前科学技术领域的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种具有偏振特性、适用于显示和成像领域的基于表面等离激元多频带完美吸收器。

实现本发明目的所采用的技术方案是：该基于表面等离激元多频带完美吸收器，包括基底、介质层和结构层，基底上方设有介质层，介质层上方设有结构层，结构层由工字型单元周期性阵列组成，工字型单元在x方向和y方向上周期性分布，每个工字型单元由3个横截面均为椭圆的柱体组成，分别为第一柱体、第二柱体和第三柱体，其中位于两端的第一柱体和第三柱体的椭圆横截面的长轴和位于中间的第二柱体的椭圆横截面的短轴相互平行，第二柱体的椭圆横截面短轴和长轴分别与直角坐标系的x轴和y轴平行，柱体内设有用于控制光的偏振方向的偏振器。

所述结构层的材料为金。

所述介质层的材料为二氧化硅。

所述基底的材料为金。

所述柱体椭圆横截面长轴长度范围为80nm至160nm，长轴步长为20nm，短轴长度范围为50nm至120nm，短轴步长为14nm，柱体厚度范围为70nm至130nm，柱体厚度步长为15nm。

所述工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm。

所述各工字型单元在x方向和y方向都是紧密排布。

所述基底的厚度不小于50nm。

所述介质层的厚度不小于30nm。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种基于表面等离激元多频带完美吸收器，由基底、介质层和结构层组成，其中结构层采用由3个椭圆柱组成的工字型单元周期性阵列构成，周期性结构层、介质层之间相互作用，以及结构层、介质层和基底之间形成的F-P腔，能够产生局域电场增强，使反射率趋于零，基底的趋肤深度大于电磁波的穿透度，可以使透射为零，并且光在介质层与基底之间会多次反射，增加吸收器的吸波能力，从而达到完美吸收；

(2)本发明提供的基于表面等离激元多频带完美吸收器利用周期性结构层可以实现完美吸收，尺寸小，结构简单，工艺制作相对容易；

(3)本发明提供的基于表面等离激元多频带完美吸收器，设有用于控制光的偏振方向的偏振器，具有偏振特性，可以通过改变光的偏振方向来影响吸收峰的数量及吸收率；

(4)本发明通过改变吸收器的结构参数，可以达到调节吸收峰位置及吸收器吸收率的效果；

(5)本发明的结构层和基底的材料均为金，采用金制作的结构层，入射光照射至吸收器时易激发表面等离激元效应，形成局域电场，提高吸收率。而金基底充当反射镜，使入射光不能透过，因此，光在基底层和介质层多次的来回反射，也能提高吸收器的吸收率。

(6)试验证明本发明提供的基于表面等离激元多频带完美吸收器的吸收率高达99.63％，可以用于高精确度要求的显示和成像领域。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于表面等离激元多频带完美吸收器的结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于表面等离激元多频带完美吸收器的俯视图。

图3是本发明提供的偏振器控制光的偏振方向示意图。

图4是本发明实施例1得到的吸收谱线。

图5是本发明实施例2得到的吸收谱线。

图6是本发明实施例3得到的吸收谱线。

图7是本发明实施例4得到的吸收谱线。

图中：1.基底，2.介质层，3.结构层，4.第一柱体，5.第二柱体，6.第三柱体，7.起偏器，8.检偏器，9.自然光，10.线偏振光，11.工字型单元。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1和图2分别是本发明提供的一种基于表面等离激元多频带完美吸收器的结构示意图和俯视图。参照图1和图2，该基于表面等离激元多频带完美吸收器包括基底1、介质层2和结构层3，其中，基底1上方设有介质层2，介质层2上方设有结构层3，结构层3是由工字型单元周期性阵列组成，工字型单元在x方向和y方向上周期性分布，每个工字型单元由3个横截面均为椭圆的柱体组成，分别为第一柱体4、第二柱体5和第三柱体6，其中位于两端的第一柱体4和第三柱体6的椭圆横截面的长轴和位于中间的第二柱体5椭圆横截面的短轴相互平行，第二柱体5的椭圆横截面短轴和长轴分别与直角坐标系的x轴和y轴平行，柱体内还设有用于控制光的偏振方向的偏振器。图3是本发明提供的偏振器控制光的偏振方向示意图。参照图3，偏振器包括起偏器7和检偏器8，其中，起偏器7具有光选择性作用，检偏器8具有检查通过的光是否为线偏振光的作用。当自然光9的振动方向和起偏器的偏振化方向一致，光可以通过，此时通过的光我们称之为线偏振光10。改变起偏器7的方向，可以控制光的偏振方向。

实施例1：

本实施例中提供的该基于表面等离激元多频带完美吸收器基底的厚度为50nm，介质层的厚度为30nm，结构层中工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm，工字型单元中柱体椭圆横截面长轴长度为120nm，短轴长度为50nm，柱体厚度为100nm。图4是本实施例中的完美吸收器得到的吸收谱线，参照图4，该基于表面等离激元多频带完美吸收器在波长580nm、670nm和810nm处分别达到91.06％、99.63％和97.26％的吸收率。

实施例2：

本实施例中提供的该基于表面等离激元多频带完美吸收器基底的厚度为50nm，介质层的厚度为30nm，结构层中工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm，工字型单元中柱体椭圆横截面长轴长度为120nm，短轴长度为50nm，柱体厚度以15nm的步长，设置为从70nm到130nm不等。图5是本实施例中的完美吸收器得到的吸收谱线，参照图5，柱体厚度变化对该实施例中吸收谱中的波峰位置以及完美吸收器的吸收率都产生影响，随着柱体厚度的增大波峰位置均出现红移现象，其中，第三个波峰的位置红移最明显。且柱体厚度的变化对第一个峰的吸收率影响最大。但通过对完美吸收器的工字型单元中柱体厚度进行合理的调控，可以使该完美吸收器在三个波峰位置处的吸收率均到达90％以上。

实施例3：

本实施例中提供的该基于表面等离激元多频带完美吸收器基底的厚度为50nm，介质层的厚度为30nm，结构层中工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm，工字型单元中柱体厚度为100nm，结构层的工字型单元中，位于两端的第一柱体和第三柱体的椭圆横截面长轴长度为120nm和短轴长度为50nm，工字型单元中间的第二柱体椭圆横截面长轴长度以20nm的步长，设置为从80nm到160nm不等，短轴长度为50nm。图6是本实施例中的完美吸收器得到的吸收谱线，参照图6，随着长轴的增大，三个波峰均出现红移现象；此外，长轴的变化也同时影响着三个波峰峰值的大小，经过多次实验仿真，发现长轴为120nm时，可以使三个峰值吸收率达到最优，最优峰值分别在波长580nm、670nm和810nm处达到91.06％、99.63％和97.26％的吸收率。

实施例4：

本实施例中提供的该基于表面等离激元多频带完美吸收器基底的厚度为50nm，介质层的厚度为30nm，结构层中工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm，工字型单元中柱体厚度为100nm，结构层的工字型单元中，位于两端的第一柱体和第三柱体的椭圆横截面长轴长度为120nm和短轴长度为50nm，工字型单元中间的第二柱体椭圆横截面长轴长度为120nm，短轴长度以14nm的步长，设置为从50nm到120nm不等。图7是本实施例中的完美吸收器得到的吸收谱线，参照图7，改变短轴的长度，对三个峰值的位置及吸收率有着较小的影响。第一个峰值的吸收率随着短轴的增大而增大，且波峰略微蓝移；第二个峰值的吸收率随着短轴的增大而减小，且波峰略微蓝移；随着短轴的增大，第三个峰值的吸收率先增大后减小，且波峰略微红移。

上述实施例中图5、图6和图7中的吸收谱线是y方向偏振光的吸收谱线。图4是x方向和y方向偏振光的吸收谱线，从图4中可以看出，本发明的对y方向偏振的吸收光谱比x方向的吸收光谱更好。

本发明提供的这种基于表面等离激元多频带完美吸收器，由基底、介质层和结构层组成，所述基底上方设有介质层，介质层上方设有结构层，结构层3是由工字型单元周期性阵列组成，工字型单元在x方向和y方向上周期性分布，每个工字型单元由3个横截面均为椭圆的柱体组成，分别为第一柱体、第二柱体和第三柱体，其中位于两端的第一柱体和第三柱体的椭圆横截面的长轴和位于中间的第二柱体的椭圆横截面的短轴相互平行，第二柱体的椭圆横截面短轴和长轴分别与直角坐标系的x轴和y轴平行，柱体内还设有用于控制光的偏振方向的偏振器，改变偏振器中的起偏器的方向，可以控制光的偏振方向，该吸收器的吸收特性是由于不同偏振方向下的光波和同一偏振下不同波长的光波产生的，吸收器的吸收效率也受到这些因素的影响，该吸收器还可以通过控制偏振来控制吸收峰数量。该基于表面等离激元多频带完美吸收器，通过周期性结构层、介质层之间相互作用，以及结构层、介质层和基底之间形成的F-P腔，能够产生局域电场增强，使反射率趋于零，基底的趋肤深度大于电磁波的穿透度，可以使透射为零，并且光在介质层与基底之间会多次反射，增加吸收器的吸波能力，从而达到完美吸收；该吸收器的设计尺寸小，结构简单，易于加工，可以改变吸收器结构参数来控制其吸收特性，吸收器结构层工字型单元中柱体厚度增大，使得波峰位置均出现红移现象，随着椭圆横截面长轴长度的增大，三个波峰均出现红移现象；此外，柱体椭圆横截面长轴的变化会同时影响着三个波峰峰值的大小；改变椭圆横截面短轴的长度对三个峰值的位置及吸收率的影响较小；该基于表面等离激元多频带完美吸收器在波长580nm、670nm和810nm处的最优吸收率达到91.06％、99.63％和97.26％；且该吸收器具有偏振特性，因此可应用于高精确度要求的显示和成像领域。

以上为本发明的技术思想及实施方法，在本发明的思想及原理之内，对尺寸的修改，结构的变形等相同的理念的变换及修改，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于表面等离激元多频带完美吸收器，包括基底、介质层和结构层，其特征在于：基底上方设有介质层，介质层上方设有结构层，结构层由工字型单元周期性阵列组成，工字型单元在x方向和y方向上周期性分布，每个工字型单元由3个横截面均为椭圆的柱体组成，分别为第一柱体、第二柱体和第三柱体，其中位于两端的第一柱体和第三柱体的椭圆横截面的长轴和位于中间的第二柱体的椭圆横截面的短轴相互平行，第二柱体的椭圆横截面短轴和长轴分别与直角坐标系的x轴和y轴平行，柱体内设有用于控制光的偏振方向的偏振器。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：结构层的材料为金。

3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：介质层的材料为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：基底的材料为金。

5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：柱体椭圆横截面长轴长度范围为80nm至160nm，长轴步长为20nm，短轴长度范围为50nm至120nm，短轴步长为14nm，柱体厚度范围为70nm至130nm，柱体厚度步长为15nm。

6.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：工字型单元在x方向上的分布周期为540nm，在y方向上的分布周期为540nm。

7.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：各工字型单元在x方向和y方向都是紧密排布。

8.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：基底的厚度不小于50nm。

9.根据权利要求1所述的基于表面等离激元多频带完美吸收器，其特征在于：介质层的厚度不小于30nm。