CN114488357A - 基于多层膜的各向异性光吸收装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于多层膜的各向异性光吸收装置及其制备方法，属于微纳光学、光电探测与激光领域。所述装置包括上下依次堆叠的：第一膜堆、各向异性光学吸收材料膜层、第二膜堆；所述各向异性光学吸收材料膜层位于所述第一膜堆和第二膜堆的交界面。本发明由于所述堆叠的第一膜堆和第二膜堆交界面存在边界态，边界态诱导的光场增强能够有效提高光学吸收材料膜层的光吸收效率；此外，借助光学吸收材料自身光学性质的各向异性，改变入射光的偏振角，可以在正入射条件下实现可调谐光吸收，进而获得光开关功能。本发明提供的方法及装置，具有结构简单、光吸收效率高、吸收通道可切换等优势，在微纳光学、光电探测、激光与光通信领域极具应用价值。

Description

基于多层膜的各向异性光吸收装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于多层膜的各向异性光吸收装置及其制备方法，属于微纳光学、光电探测与激光领域。
背景技术
各向异性是指物质的物理、化学等性质随方向变化而变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。在各类应用中，基于材料光学性质的各向异性实现的各向异性光吸收增强，在非线性光学、光开关、偏振态调控与光谱分析等领域应用价值极高。
在光学与材料工程领域，为了在正入射条件实现对线偏振光的各向异性光吸收，通常采取以下两种方式。第一种是将各向异性材料浸染聚合物薄膜，例如在偏振光元件中，广泛使用具有强烈二向色性的碘浸染高分子化合物基片，进而对特定振动分量的入射光场实现选择性吸收。然而，这类偏振元件的光吸收效率较低，也无法自由选择和切换不同波长光波对应的吸收通道。另一种是采用具有非对称或手性结构的人工电磁超构材料吸波器件，比如“金属-介质-金属”三明治微纳结构，也即是介质膜层被金属基底和顶层金属微纳图案所包夹，利用结构中激发的电共振或磁共振对特定波长光波实现高效率的光吸收，同时借助顶层金属微结构图案结构的非对称性或手性特征，可以对不同偏振方向的入射光场实现选择性的吸收增强。然而，尽管这类器件的光吸收效率较高，但这类器件需要在薄膜结构的基础上，借助光刻工艺制备出具有非对称或手性特征的顶底金属微结构图案，导致器件的制备难度和成本显著增大。
综上所述，将各向异性材料浸染聚合物薄膜实现的各向异性光吸收，其光吸收效率较低且无法选择和切换不同波长的吸收通道；而采用电磁超构材料吸波器件实现的各向异性光吸收，需要在薄膜结构基础上制备出具有非对称或手性特征的微结构图案，对制备技术和加工精度要求高，不利于大面积的制备和应用。
发明内容
为了克服现有的光吸收装置存在吸收效率不高、无法自由选择和切换吸收通道、制备难度大、成本高等问题，本发明提供了基于多层膜的各向异性光吸收装置及其制备方法。
本发明的第一个目的在于提供一种基于多层膜的各向异性光吸收装置，所述装置包括上下依次堆叠的：第一膜堆、各向异性光学吸收材料膜层、第二膜堆；所述各向异性光学吸收材料膜层位于所述第一膜堆和第二膜堆的交界面；
所述第一膜堆包括：周期性上下堆叠的N1个第一膜组；所述第一膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层；
所述第二膜堆包括：周期性上下堆叠的N2个第二模组；所述第二膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层。
可选的，所述第一膜组的结构为：上下依次交替堆叠的低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层；所述第二膜组的结构为：上下依次交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层、高折射率膜层。
可选的，所述第一膜组和所述第二膜组的物理厚度和光学厚度相等，所述第一膜堆上下方向的中点位置所在的膜层为高折射率膜层，所述第二膜堆上下方向的中点位置所在的膜层为低折射率膜层。
可选的，所述高折射率膜层的材料为硅Si、五氧化二钽Ta2O5、二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS中的一种或多种。
可选的，所述低折射率膜层的材料为：二氧化硅SiO2、氟化镁MgF2中的一种或两种。
可选的，所述各向异性光学吸收材料膜层的材料为：α-三氧化钼α-MoO3或六方氮化硼hBN或黑磷BP或液晶LC。
本发明的第二个目的在于提供一种基于多层膜的各向异性光吸收装置的制备方法，所述方法包括：
步骤1：制备第二膜堆：
采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在石英或玻璃基底上沉积结构为(H2LH)N2的第二膜堆，其中H表示高折射率材料、L表示低折射率材料，N2表示所述第二膜堆的周期数；
步骤2：制备各向异性光学吸收材料膜层：
在管式炉的坩埚中放入α-三氧化钼α-MoO3粉末，在保持低气压条件下加热所述α-三氧化钼α-MoO3粉末，通入氧气O2，将α-三氧化钼α-MoO3薄膜镀制到所述第二膜堆之上；
步骤3：制备第一膜堆：
采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在所述第二膜堆和所述各向异性光学吸收材料膜层之上，沉积结构为(L2HL)N1的第一膜堆，其中N1为所述第一膜堆的周期数。
可选的，所述制备各向异性光学吸收材料膜层的方法替换为：先采用管式炉将α-三氧化钼α-MoO3薄膜镀制到石英或玻璃基底上，再通过机械剥离或化学方法将所述α-三氧化钼α-MoO3薄膜转移到所述第二膜堆之上。
本发明的第三个目的在于提供一种基于多层膜的各向异性光吸收方法，所述各向异性光吸收方法采用上述的各向异性光吸收装置，在正入射条件下实现对线偏振光各向异性光吸收。
本发明的第四个目的在于提供一种基于多层膜各向异性光吸收实现光开关的方法，所述实现光开关的方法利用上述的各向异性光吸收装置，通过调整入射光的偏振角，然后通过监测反射光谱共振吸收峰对应的反射光强度变化实现光开关的关闭和开启。
本发明有益效果是：
1、本发明通过第一膜堆和第二膜堆的堆叠，两个膜堆的交界面产生了边界态，交界面插入一层各向异性光学吸收材料，边界态诱导的光场增强能够有效提高各向异性光学吸收材料的光吸收效率，且通过调整和优化两个膜堆的周期数，可以在吸收通道位置处获得高效率的近完美光吸收，吸收效率接近100％。
2、仿真结果证明，本发明通过改变入射光的偏振角，可以在正入射条件下实现对入射光吸收通道的选择和切换，进而可以调控传输光信号的开启和闭合，在光电探测、光热转化、光学滤波、光学成像和光通信等领域具有很好的应用前景。
3、本发明的光吸收装置，采用常规物理气相沉积方法即可以完成器件的制备，尤其是，两个堆叠的周期性介质膜堆均为对称膜系，制备工艺成熟；
本发明所选用的薄膜材质可采用诸如Ta2O5和SiO2等常规低损耗的高、低折射率材料即可实现；
本发明所选用的吸收材料为各向异性的天然薄膜材料，其实现各向异性的可调谐光吸收，相比于现有技术，无需在薄膜结构基础上制备出非对称或手性微结构图案，因而也无需使用光刻制作工艺，因此，本发明相比于现有技术的光吸收装置和方法，大幅度降低了制备难度和制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的堆叠膜堆结构以及基于堆叠膜堆实现的吸波装置结构示意图；
入射线偏振光从上方垂直入射，其中，(a)为两个堆叠的周期性膜堆示意图，周期数分别为N1和N2，高、低折射率材料分别为Ta2O5和SiO2，对应的折射率为2.1和1.47，(b)为堆叠膜堆结构的交界面插入厚度为h的α-MoO3薄膜，该装置可以实现可调谐的各向异性光吸收。
图2为堆叠膜堆结构以及本发明提出的各向异性吸波装置的光谱图，插入图分别为二者对应的结构示意图；
结构参数为：N1＝N2＝8，2dA＝71nm，2dB＝102nm，h＝5nm；(a)为堆叠膜堆结构的反射和透射光谱，(b)和(c)分别为本发明提出的吸波装置在x偏振和y偏振情形的反射、透射和吸收光谱。
图3为本发明实施例的光吸收装置的吸收性能随α-MoO3薄膜厚度h变化特性图；
结构参数为：N1＝N2＝8，2dA＝71nm，2dB＝102nm；(a)和(c)分别为x偏振和y偏振吸收光谱随α-MoO3厚度变化特性，(b)和(d)分别为采用各向异性腔共振谐振条件估算的x偏振和y偏振对应的吸收峰位置。
图4为本发明实施例的光吸收装置的吸收性能随膜堆数变化特性图；
α-MoO3薄膜厚度h＝100nm，其他参数与图3相同；(a)和(b)分别为x偏振和y偏振装置的吸收光谱随N1变化特性，(c)和(d)分别为x偏振和y偏振装置的吸收光谱随N2变化特性。
图5为本发明实施例的光吸收装置实现的高效率光吸收的吸收光谱图；
N1＝8，N2＝16，其他参数与图4相同，入射光为x偏振光。
图6为本发明实施例的光吸收装置在不同偏振角情形的吸收光谱图，结构参数与图5相同。
图7为本发明实施例的光吸收装置在不同偏振角情形的反射光谱图，结构参数与图5相同。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种基于多层膜的各向异性光吸收装置，所述装置包括上下依次堆叠的：第一膜堆、各向异性光学吸收材料膜层、第二膜堆；所述各向异性光学吸收材料膜层位于所述第一膜堆和第二膜堆的交界面；
所述第一膜堆包括：周期性上下堆叠的N1个第一膜组；所述第一膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层；
所述第二膜堆包括：周期性上下堆叠的N2个第二模组；所述第二膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层。
实施例二：
本实施例提供一种基于多层膜的各向异性光吸收装置，其结构示意图如图1(b)所示，也即是在图1(a)中两个堆叠膜堆(膜堆1和膜堆2)的交界面，插入一层厚度为h的各向异性α-MoO3薄膜构成。其中，膜堆1和膜堆2均为对称膜系，膜系结构分别为：(0.5LH0.5L)N1和(0.5HL0.5H)N2，这里H、L分别代表在设计波长处四分之一光学厚度的高、低折射率膜层，N1和N2分别为膜堆1和膜堆2的周期数。
在本实施例中，所设计的波段为可见光波段(400-800nm)，在此波段中，分别选取Ta2O5和SiO2作为高、低折射率材料，二者折射率分别为2.1和1.47；选取设计波长λ＝600nm；膜堆2在一个周期内的结构为(0.5HL0.5H)，对应的物理厚度分别为dB＝35.7nm、2dA＝102nm和dB＝35.7nm；膜堆1在一个周期内的结构为(0.5LH0.5L)，对应的物理厚度分别为dA＝51nm、2dB＝71.4nm和dA＝51nm；N1＝N2＝8。
当将膜堆1和膜堆2组合为堆叠结构，采用薄膜的传输矩阵法计算结构的反射和透射光谱，结果如图2(a)所示。可以看出，当膜堆1和膜堆2组合成堆叠结构，在设计波长附近(λr＝610nm)产生一个增强透射峰(反射谷)，该透射峰(反射谷)源于膜堆1和膜堆2分界面激发的边界态造成的。由于边界态的出现使得膜堆1和膜堆2的分界面产生电场增强，因此，在膜堆1和膜堆2的分界面插入各向异性的α-MoO3薄膜，可以产生各向异性的光吸收增强。
图2(b)和2(c)为在堆叠膜堆结构中插入厚度为5nm的α-MoO3薄膜光谱，其中图2(b)对应x偏振光入射，图2(c)对应y偏振光入射，光谱采用薄膜的传输矩阵法计算得到。可以看到，由于α-MoO3薄膜存在吸收损耗，光谱中除了反射和透射外，还有吸收光谱。图2(b)和2(c)可以看到，在边界态激发位置处，也即是光谱中透射峰(反射谷)对应的波长位置，产生了一个共振吸收峰。由于插入的α-MoO3薄膜具有一定厚度，因此相对于未插入α-MoO3薄膜的结构，边界态对应的波长位置略有红移。此外，由于α-MoO3薄膜的各向异性，即便α-MoO3薄膜的厚度非常小(仅为5nm)，结构的吸收光谱也体现出一定的各向异性，对于x偏振光入射，对应的吸收峰波长和峰值吸收率分别为617.8nm和12.4％；对于y偏振光入射，对应的吸收峰波长和峰值吸收率分别为617.6nm和12.1％。可以预计，随着α-MoO3薄膜厚度h不断增大，吸收装置的各向异性吸收特性会凸显。
对于本实施例提出的光吸收装置，也即是在堆叠膜堆结构中插入一定厚度的α-MoO3薄膜，由于结构中只考虑α-MoO3薄膜的吸收损耗，此时α-MoO3薄膜可视为厚度为h的各向异性吸收腔，对应的吸收峰位置可以由各向异性的腔共振谐振条件近似确定：
Figure BDA0003520898060000061
其中，λ为入射光波长，
Figure BDA0003520898060000062
和
Figure BDA0003520898060000063
分别为光波在α-MoO3薄膜上、下界面的反射相位，m为整数。ni对应α-MoO3薄膜的各向异性折射率，对于x偏振光，ni＝nx；对于y偏振光，ni＝ny。
图3为本实施例中光吸收装置的吸收性能随α-MoO3薄膜厚度h变化特性，其中图3(a)和3(b)为采用薄膜传输矩阵法计算的波长随α-MoO3厚度h变化的吸收光谱，色度条的值对应光吸收率。可以看出，随着α-MoO3厚度不断增大，也即是当α-MoO3厚度从50nm增大到400nm，在可见光波段会产生一些稳定的共振吸收峰，且吸收通道的数目随着厚度h的增多而增多。此外，由于α-MoO3薄膜自身的各向异性，即便α-MoO3薄膜的厚度相同，对于x偏振和y偏振光，二者的吸收光谱的通道数目以及吸收峰对应的位置也不相同。
图3(c)和3(d)为采用方程(1)估算的x偏振和y偏振光对应的吸收峰位置，可以看出，采用各向异性腔共振谐振条件估算得到的吸收峰位置，与采用薄膜传输矩阵法计算得到的结果相比，也即是图3(a)和3(b)中的吸收峰位置，二者的结果很好地吻合。
实施例三：
本实施例提供一种基于多层膜的各向异性光吸收装置的制备方法，用于制备实施例二记载的一种基于多层膜的各向异性光吸收装置，所述制备方法包括：
步骤1：制备膜堆2：
将膜堆2沉积在基底上，采用真空电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在石英或玻璃基底上沉积膜堆2。膜堆2的周期数为N2，其一个周期内的结构为(0.5HL0.5H)，对应的物理厚度分别为dB、2dA和dB。
步骤2：制备各向异性光学吸收材料膜层：
采用管式炉在膜堆2之上镀制厚度为h的α-MoO3薄膜，在管式炉的坩埚中放入MoO3粉末，在保持低气压的条件下(约35Pa)加热MoO3粉末，并通入流量约20sccm的O2，可以将一定厚度的α-MoO3薄膜直接镀制到膜堆2之上；
或者采用管式炉将一定厚度的α-MoO3薄膜镀制到石英或玻璃基底上，再通过机械剥离或化学方法将α-MoO3薄膜转移到膜堆2之上。
步骤3：制备第一膜堆：
采用真空电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在膜堆2和α-MoO3薄膜之上，沉积结构为(L2HL)N1的膜堆1。膜堆1周期数为N1，其在一个周期内的结构为(0.5LH0.5L)，对应的物理厚度分别为dA、2dB和dA。
此外，根据实际应用需要，可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀，去除石英或玻璃基底，把吸收装置做成自支撑结构。
实施例四：
本实施例提供一种基于多层膜的各向异性光吸收方法，采用实施例二提供的一种基于多层膜的各向异性光吸收装置实现在正入射条件下对线偏振光各向异性光吸收。
从实施例二中可以看出，基于堆叠结构实现的光吸收增强装置，具有很好的各向异性光吸收特性。
图4为本实施例中吸波装置的吸收性能随膜堆数变化特性，α-MoO3薄膜厚度h＝100nm，其他参数与图3相同。其中图4(a)和4(b)分别为x偏振和y偏振装置的吸收光谱随膜堆1的周期数N1变化特性。图4(c)和4(d)分别为x偏振和y偏振装置的吸收光谱随膜堆2的周期数N2变化特性。
从图4中可以看出，当膜堆1和膜堆2的周期数N1或N2发生改变时，对于同一偏振态的入射光，吸收峰的位置几乎不变，但是峰值吸收率会发生一定改变，这是由于膜堆周期数N1或N2的改变，都将引起光场在α-MoO3薄膜中幅值大小的变化，从而影响结构中α-MoO3薄膜的峰值吸收效率。因此，通过调整或优化N1或N2的大小，可以实现高效率的各向异性光吸收。
图5为本实施例中吸波装置实现高效率光吸收的吸收光谱。这里N1＝8，N2＝16，其他参数与图4相同，入射光为x偏振光。可以看到，此时α-MoO3薄膜对入射的x偏振光实现了高效率的光吸收，在563nm波长位置处，峰值光吸收效率达98％。
此外，由于α-MoO3薄膜是天然各向异性薄膜，其x方向和y方向对应的折射率也不一样，因此通过改变入射光的偏振角，在正入射条件可以实现对入射光的各向异性光吸收。
图6为本实施例中吸波装置在不同偏振角情形的吸收光谱，结构参数与图5相同。其中，偏振角φ＝0°对应x偏振，φ＝90°对应y偏振。从图6中可以看到，偏振角大小的变化不改变吸收通道的位置，但是对峰值吸收率有显著影响。随着偏振角的不断增大，x偏振对应的短波长吸收峰(λ＝563nm)的峰值吸收率不断降低，而y偏振对应的长波长吸收峰(λ＝581nm)的峰值吸收率不断增大，当φ＝90°时，短波长吸收峰消失，而长波长吸收峰的吸收效率达到最大值。因此，通过改变入射光的偏振角，可以实现峰值吸收效率的调谐与吸收通道的切换。
综上所述，本实施例的方法，采用实施例二记载的光吸收装置，可以通过调整或者优化两个膜堆结构的周期数来调整光吸收效率，最终可以达到高效率的光吸收效果；此外，还可以通过调整入射光的偏振角，在正入射条件下实现峰值吸收效率的调谐与对入射光吸收通道的选择和切换，进而可以调控传输光信号的开启和闭合，在光电探测、光热转化、光学滤波、光学成像和光通信等领域具有很好的应用前景。
实施例五：
本实施例提供一种基于多层膜各向异性光吸收实现光开关的方法，所述实现光开关的方法利用实施例二记载的各向异性光吸收装置，通过调整入射光的偏振角，然后通过监测反射光谱共振吸收峰对应的反射光强度变化实现光开关的关闭和开启。
由于α-MoO3薄膜具有可调谐的各向异性光吸收效应，吸收能量的变化将引起入射光场能量的重新分配，导致光场传输特性随入射光偏振角的变化而改变，因此可以通过监测反射光谱共振吸收峰对应的反射光强度变化实现光开关功能。
图7为本发明实施例的吸收装置在不同偏振角情形的反射光谱，结构参数与图5相同。可以看到，当φ＝0°时，在波长为563nm位置处的共振吸收峰几乎没有反射光，其反射率接近0，而当φ＝90°时，其对应反射率接近100％。
因此通过改变偏振角，可以对波长为563nm的反射光信号的传输实现关闭和开启。同样，在波长为581nm位置处的共振吸收峰的反射信号也表现出类似性质，只不过变化趋势与短波长通道的变化趋势相反。因此，通过监测吸收装置在共振吸收峰位置的反射光谱，可以实现多通道的光开关功能。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多层膜的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述装置包括上下依次堆叠的：第一膜堆、各向异性光学吸收材料膜层、第二膜堆；所述各向异性光学吸收材料膜层位于所述第一膜堆和第二膜堆的交界面；
所述第一膜堆包括：上下周期性堆叠的N1个第一膜组；所述第一膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层；
所述第二膜堆包括：上下周期性堆叠的N2个第二模组；所述第二膜组包括交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层。
2.根据权利要求1所述的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述第一膜组的结构为：上下依次交替堆叠的低折射率膜层、高折射率膜层、低折射率膜层；所述第二膜组的结构为：上下依次交替堆叠的高折射率膜层、低折射率膜层、高折射率膜层。
3.根据权利要求1所述的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述第一膜组和所述第二膜组的物理厚度和光学厚度相等，所述第一膜堆上下方向的中点位置所在的膜层为高折射率膜层，所述第二膜堆上下方向的中点位置所在的膜层为低折射率膜层。
4.根据权利要求1所述的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述高折射率膜层的材料为硅Si、五氧化二钽Ta2O5、二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述低折射率膜层的材料为：二氧化硅SiO2、氟化镁MgF2中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的各向异性光吸收装置，其特征在于，所述各向异性光学吸收材料膜层的材料为：α-三氧化钼α-MoO3或六方氮化硼hBN或黑磷BP或液晶LC。
7.一种基于多层膜的各向异性光吸收装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：制备第二膜堆：
采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在石英或玻璃基底上沉积结构为(H2LH)N2的第二膜堆，其中H表示高折射率材料、L表示低折射率材料，N2表示所述第二膜堆的周期数；
步骤2：制备各向异性光学吸收材料膜层：
在管式炉的坩埚中放入α-三氧化钼α-MoO3粉末，在保持低气压条件下加热所述α-三氧化钼α-MoO3粉末，通入氧气O2，将α-三氧化钼α-MoO3薄膜镀制到所述第二膜堆之上；
步骤3：制备第一膜堆：
采用电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，在所述第二膜堆和所述各向异性光学吸收材料膜层之上，沉积结构为(L2HL)N1的第一膜堆，其中N1为所述第一膜堆的周期数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述制备各向异性光学吸收材料膜层的方法替换为：先采用管式炉将α-三氧化钼α-MoO3薄膜镀制到石英或玻璃基底上，再通过机械剥离或化学方法将所述α-三氧化钼α-MoO3薄膜转移到所述第二膜堆之上。
9.一种基于多层膜的各向异性光吸收方法，其特征在于，所述各向异性光吸收方法采用权利要求1-6任一项所述的各向异性光吸收装置，在正入射条件下实现对线偏振光各向异性光吸收。
10.一种基于多层膜各向异性光吸收实现光开关的方法，其特征在于，所述实现光开关的方法利用权利要求1-6任一项所述的各向异性光吸收装置，通过调整入射光的偏振角，然后通过反射光谱共振吸收峰对应的反射光强度变化实现光开关的关闭和开启。
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