CN114966923A

CN114966923A - 覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器

Info

Publication number: CN114966923A
Application number: CN202210913314.5A
Authority: CN
Inventors: 徐弼军; 陈丹丹; 孙志通; 薛晓菊; 湖泊; 郭运成; 王宸
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-08-01
Also published as: CN114966923B

Abstract

本发明公开了一种覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，包括由多个单元结构组成的周期阵列；所述单元结构包括水平方向截面为正方形的介质层，介质层的底面设置金属反射层，介质层的表面设有第一方形环和第二方形环；所述第一方形环和第二方形环呈嵌套设置，形成谐振腔结构；所述第一方形环和第二方形环的边与介质层的表面四边平行；所述第一方形环和第二方形环的中心与介质层表面的中心重合；所述第一方形环和第二方形环的高度相同，且环边厚度相同。本发明易于加工和制造，可以实现可见光到红外光谱工作波长范围内的高效和超宽带吸收。

Description

覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器

技术领域

本发明涉及光吸收器技术领域，具体为一种覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器。

背景技术

完美吸收器作为超材料应用领域之一，相比传统吸收材料具有重量轻、密度低、可设计性强、可调控等优点，但对于实际应用来说，带宽的限制一直是瓶颈和难点。如何在有限的亚波长尺寸内实现多个表面等离激元谐振来实现宽带吸收；如何实现厚度小、结构简单、易于制作，同时具备高效吸收，是目前超材料领域的研究热点。为了提升吸收性能，克服窄带宽，现有研究多从结构和材料两方面着手，前者通过微观结构的形貌设计，多层结构堆叠、多个谐振器组合等。如空心碗状多孔腔体结构，通过调节匹配复合结构与空气间的阻抗特性，多组分界面极化可协同提升电磁波多重反射和吸收，空心腔的存在可降低密度，为新型轻质、宽带、强电磁吸波材料的设计和制备提供了新视角和重要参考；后者则利用材料的多元复合，丰富材料的损耗机制，优化阻抗匹配，提出了石墨烯、二氧化钒、黑鳞等新型复合材料等多种方案。多层和多共振方法可形成宽带吸收，但其高成本贵金属材料的使用、尺寸大、设计复杂等不足极大地限制了实际应用，因此，研究者们探索了各种基于超材料的设计，以获得宽带吸收特性的优化方案。现有学者设计了可见光区域的宽带超材料吸收器。所设计的吸收器基于多层薄膜的光学干涉和光阱结构激发磁共振，在波段实现超过的平均吸收率。现有学者还基于六角分型的谐振腔设计实现宽带吸收。该结构从波段吸收率达到以上。尽管如此，这些技术仍有许多缺点，包括较低的带宽、顶层复杂的图案化设计、多层材料堆叠、贵金属（金、银和铝）材料、制造成本高、尺寸大等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器。本发明易于加工和制造，可以实现可见光到红外光谱工作波长范围内的高效和超宽带吸收。

本发明的技术方案：覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，包括由多个单元结构组成的周期阵列；所述单元结构包括水平方向截面为正方形的介质层，介质层的底面设置金属反射层，介质层的表面设有第一方形环和第二方形环；所述第一方形环和第二方形环呈嵌套设置，形成谐振腔结构；所述第一方形环和第二方形环的边与介质层的表面四边平行；所述第一方形环和第二方形环的中心与介质层表面的中心重合；所述第一方形环和第二方形环的高度相同，且环边厚度相同。

上述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，所述金属反射层的材质为铬。

前述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，所述介质层的材质为二氧化硅。

前述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，所述第一方形环的材质为镍，所述第二方形环的材质为铬。

前述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，所述单元结构的周期为180nm，所述金属反射层的厚度为10nm，所述介质层的厚度为140nm，所述第一方形环和第二方形环的高度均为170nm，环边厚度均为10nm；所述第一方形环的外边长为170nm，所述第二方形环的外边长为146nm。

与现有技术相比，本发明的单元结构从上到下分别由双方环形嵌套结构、介质层和金属反射层组成，当电磁波从吸收器顶部入射时，由于自由空间和吸收器之间的阻抗匹配，形成共振效应，顶部金属谐振器的双方环形嵌套结构，可减少电磁波的反射；中间介质层可最大限度存储电磁波；底部金属铬作为入射波的完美反射器，完全阻挡了底层的透射，共同作用实现高效、宽带吸收。本发明在可见光到红外波段的工作波长范围内，实现了超过的高效吸收。在的整个500nm-13000nm波长范围内，显示出80%以上的吸收。本发明具有超宽带吸收、偏振角度不敏感、结构简单、尺寸小以及低成本、耐腐蚀、耐高温的优点，在现代隐身技术、太阳能光伏、热发射和红外光谱、红外探测等方面有很大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是单元结构的示意图；

图3中（a）为铬单方环形，（b）为单方环形镍，（c）为无中间二氧化硅层，（d）为双方环形嵌套谐振腔结构单元视图及吸收曲线；

图4是吸收器顶层、底层于两吸收峰，对应频率f分别为35THz、90THz处的电流密度；

图5是x-y平面上，z=260nm处吸收器的表面电场图，图5中（a）是f=35THz处，TE波激励；（b）是f=35THz处，TM波激励；（c）是f=90THz处，TE波激励，（d）是f=90THz处，TM波激励。

图6是不同入射角下的波长相关吸收特性；

图7是本发在可见光和红外光波段内的相关吸收特性。

附图标记

1、单元结构；2、周期阵列；3、介质层；4、金属反射层；5、第一方形环；6、第二方形环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，如图1和图2所示，包括由多个单元结构1组成的周期阵列2；所述单元结构1包括水平方向截面为正方形的介质层3，介质层3的底面设置金属反射层4，介质层3的表面设有第一方形环5和第二方形环6；所述第一方形环5和第二方形环6呈嵌套设置，形成谐振腔结构；所述第一方形环5和第二方形环6的边与介质层3的表面四边平行；所述第一方形环5和第二方形环6的中心与介质层3表面的中心重合；所述第一方形环5和第二方形环6的高度相同，且环边厚度相同。所述金属反射层4的材质为铬，实现透射近零。所述介质层3的材质为二氧化硅，二氧化硅具有高熔点和低介电常数值，使其成为电介质层的合适材料。所述第一方形环5的材质为镍，所述第二方形环6的材质为铬，镍、铬在高温下有较高耐受性，保持对高能光子的吸收。所述单元结构1的周期P为180nm，所述金属反射层的厚度d₁为10nm，所述介质层的厚度d₂为140nm，所述第一方形环和第二方形环的高度d₃均为170nm，环边厚度均为10nm；所述第一方形环的外边长W₁为170nm，所述第二方形环的外边长W₂为146nm。

使用CST微波工作室的频域求解器，对双方环形谐振器结构进行建模并模拟了吸收器的电磁特性。水平方向（x轴）和垂直方向（y轴）采用单元周期性边界条件，沿波传播方向采用开放空间边界条件。基于CST频域求解器模拟仿真了4种不同结构的微结构谐振腔，对本发明吸收器的吸收机制进行分析。包括由铬、镍分别制成的单方环形（SSR）、无中间二氧化硅层和双方环形嵌套形（DSR），单元结构及吸收曲线见图3（其中（a）为单方环形（铬），（b）为单方环形镍，（c）为无中间二氧化硅层，（d）为双方环形嵌套谐振腔结构单元视图及吸收曲线）。分析图3中的（b）可知，由镍制成的单方环形结构在960-2000nm及6200-9700nm波段可实现90%以上的吸收,有效带宽超4000nm,对应两吸收峰分别产生于=1565nm和=8125nm处。无中间二氧化硅层的双方环形嵌套结构及吸收曲线如图3中的（c）所示，去掉中间二氧化硅层的双方环形吸收器在1020-6790nm波段实现了90%以上的吸收，有效带宽超5000nm，对应吸收峰于=4490nm处，吸收率高达99%。两单方环形结构同心嵌套（即本发明的第一方形环和第二方形环嵌套设置），所得吸收器结构及吸收曲线如图3中的（d）所示，分析吸收曲线可知：嵌套之后吸收器的带宽和吸收效率皆有所提升。实现1200-11000nm波段超90%的吸收；500nm-13300nm波段超80%的高效超宽带吸收；且于3300nm、8850nm处分别实现97%和90%的近单位吸收峰，实现有效带宽超12000的超宽带吸收。可见，四种结构中，双方环形嵌套结构在带宽和吸收效率上，都具有显著优势。对比图3中的（b）（d）吸收曲线可知，单方环形镍结构在拓宽带宽方面意义重大；由此可见，将具有良好铁磁性及耐腐蚀性的金属镍，用作电磁波吸收器材料的优势所在。而图3中的（c）、（d）吸收曲线对比可得，中间二氧化硅介电层在长波波段对整体高效吸收贡献显著。

图4所示分析了吸收器顶层、底层于两吸收峰，对应频率f分别为35THz、90THz处的电流密度，观察到电流最大限度地集中在顶部双方环形谐振腔内部。此外，分析图4中的（a）可知，f=35THz处，吸收器顶部感应电流方向与底部表面电流方向是平行的，生成电偶极矩，激发电共振；而图4中的（b），f=90THz处，顶部感应电流方向与底部感应电流反平行，导致磁偶极矩，激发磁共振。两者共同作用，实现高效吸收。短波附近的共振吸收主要发生在超材料的顶层部分，而随着波长的增加，发生共振的部分逐渐向深层渗透，由此也验证了拟议吸收器尺寸变化于整体高效吸收的影响。

进而结合x-y平面上z=260nm处吸收器的表面电场图，模拟分析了拟议吸收器在TE、TM两种激励模式下，于两吸收峰，对应频率f分别为35THz、90THz处的表面电场强度，如图5所示,图5中（a）是f=35THz处，TE波激励；（b）是f=35THz处，TM波激励；（c）是f=90THz处，TE波激励；（d）是f=90THz处，TM波激励，可见电场最大限度地聚集在顶部双方环形谐振腔，由此验证顶层嵌套结构设计在提高吸收率方面发挥的重要作用。且f=35THz处，TE波激励引发谐振腔上下两边的耦合共振；TM波激励引发左右两边的耦合共振；而f=90THz处，TM波激励引发谐振腔左右两边的耦合共振；TM波激励引发上下两边的耦合共振。

为了验证拟议吸收器的极化角度和偏振不敏感，针对TE和TM及不同入射角对拟议吸收器的吸收结果进行了分析，入射角和折射角对反射系数的影响可由下式表述：

；

；

由斯内尔定律:

；

式中，

和

分别表示入射角和透射角。

考虑到所设计的吸收器在实际工作时对入射角度的容忍度，模拟了入射角

从0° 到60°（步长为10°）、偏振角

从0°到60°（步长为10°）的条件下，超材料吸收器的吸收率变化情况。其中入射角

结果如图6所示，图6中的曲线由上到下依次入射角

为0°、10°、20°、 30°、40°、50°和60°情况下的吸收率。对于低斜入射角

≤40°，TE和TM极化的吸收变化很小，并遵循正入射模式。而对于较大的斜入射角

≥50°，由于磁共振的有效面积随入射角的增大而减小，因此在TE模式下共振峰波动范围较大，而在TM极化模式下，对于较大的斜入射角，整体吸收率较为稳定，依然保持在80%以上。这是因为在入射角不发生改变的前提下， TM极化波在不同角度下入射时磁场方向并不会变，入射磁场与感应磁场之间的抗磁共振受入射角的影响很小。图7是本发在可见光和红外光波段内的相关吸收特性。可见在可见光至红外光（500-13000nm）波段内，本发明的吸收器的中心对称结构，使得吸收率几乎不受TE与 TM偏振电场分量及磁场分量的影响，始终保持高效吸收。综上所述，拟议的双方环形谐振器在宽角度的变化范围内，除了微小波动外，整体上仍保持较高的吸收效率，成功验证了拟议吸收器的入射角度及偏振不敏感特性。

此外，在拟议吸收器结构参数不变的情况下，用各种金属

组合替代拟议吸收器的金属层，吸收器顶部双方环形嵌套结构的外层材料（第一方形环），用的始终都是金属

，内层分别由金属

替换，可见本发明所采用的材质均为最优选，能够达到最高的吸收。进一步地，以往超宽带金属吸收材料吸收器与本发明提出的吸收器进行比较，结构如表1所示：

表1

从表1可以看出，本发明的双方环形(DQR)嵌套阵列与以往的超宽带金属吸收材料吸收器相比，且具有结构简单、尺寸小、材料成本低、优异的工作带宽及高效吸收等优势。

综上所述，本发明的单元结构从上到下分别由双方环形嵌套结构、介质层和金属反射层组成，当电磁波从吸收器顶部入射时，由于自由空间和吸收器之间的阻抗匹配，形成共振效应，顶部金属谐振器的双方环形嵌套结构，可减少电磁波的反射；中间介质层可最大限度存储电磁波；底部金属铬作为入射波的完美反射器，完全阻挡了底层的透射，共同作用实现高效、宽带吸收。本发明在可见光到红外波段的工作波长范围内，实现了超过的高效吸收。在的整个500nm-13000nm波长范围内，显示出80%以上的吸收。本发明具有超宽带吸收、偏振角度不敏感、结构简单、尺寸小以及低成本、耐腐蚀、耐高温的优点，在现代隐身技术、太阳能光伏、热发射和红外光谱、红外探测等方面有很大的应用潜力。

Claims

1.覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，其特征在于：包括由多个单元结构（1）组成的周期阵列（2）；所述单元结构（1）包括水平方向截面为正方形的介质层（3），介质层（3）的底面设置金属反射层（4），介质层（3）的表面设有第一方形环（5）和第二方形环（6）；所述第一方形环（5）和第二方形环（6）呈嵌套设置，形成谐振腔结构；所述第一方形环（5）和第二方形环（6）的边与介质层（3）的表面四边平行；所述第一方形环（5）和第二方形环（6）的中心与介质层（3）表面的中心重合；所述第一方形环（5）和第二方形环（6）的高度相同，且环边厚度相同。

2.根据权利要求1所述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，其特征在于：所述金属反射层（4）的材质为铬。

3.根据权利要求1所述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，其特征在于：所述介质层（3）的材质为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，其特征在于：所述第一方形环（5）的材质为镍，所述第二方形环（6）的材质为铬。

5.根据权利要求4所述的覆盖可见光和红外光的超宽带双方环形微结构吸收器，其特征在于：所述单元结构（1）的周期为180nm，所述金属反射层的厚度为10nm，所述介质层的厚度为140nm，所述第一方形环和第二方形环的高度均为170nm，环边厚度均为10nm；所述第一方形环的外边长为170nm，所述第二方形环的外边长为146nm。