CN116594088A - 一类红外光场调控器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一类红外光场调控器件及其制备方法，属于光学功能材料及微纳器件领域。所述红外光场调控器件包括基于硫属化合物材料的超构表面，该超构表面包括基底和排布在所述基底上的亚波长结构单元，所述基底为硅基底、ZnSe/ZnS基底、硫属铌酸锂基底、硫系玻璃基底、ITO基底中的一种，所述亚波长结构单元是由硫属化学物材料组成，硫属化学物材料为Ge‑Sb‑S(GSS)、Ge‑As‑Se(GAS)、As‑Se(AS)、Ga‑La‑S(GLS)中的一种或多种。使用该硫属化学物材料制备而成的亚波长结构在可见光到红外波段这一长宽带范围内有极低的消光系数，具有优异的红外透过率，使其在光学超构表面器件、特别是红外光场调控器件中具有广阔的应用前景。

Description

一类红外光场调控器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学功能材料及微纳器件领域，特别涉及一类红外光场调控器件及其制备方法。

背景技术

与传统光学器件相比，由于超构表面的亚波长结构在调控电磁波的相位、频率、振幅等方面都充分展现了无与伦比的优势，超构表面具有体积更小、质量更轻、更易集成等优势，极大的满足在人工智能、5G通信以及高端芯片等信息技术飞速发展背景下人们对小型化、轻薄化、高集成、多功能光子器件的需求。这一概念一经提出即成为近年来相关学科的研究热点，截至现在，如超透镜、光束偏转器、起偏器、全息成像等多种基于超构表面器件已被演示，对传统的成像技术、光通信、显示等领域都展示出了颠覆性影响和推动作用。然而，目前用来制作认购结构单元的材料通常是金、硅、锗等金属或介质材料，由于具有不同程度的欧姆损耗或透光范围限制，器件不可避免得遇到了效率低及仅能在可见光、近红外波段工作等问题，同时，该类材料还具有较高得制备成本等，均在一定程度上限制了其实际应用。

基于以上问题，本发明提出采用硫属化合物材料构建超构表面器件的构思，能够同时解决现阶段超构表面器件低效率、窄宽带及高成本的问题。硫属化合物材料是以S、Se、Te等除氧以外的硫族元素为主，并结合Ge、As、Sb、Ga、La、CsCl等金属或非金属单质及化合物等形成的晶体或非晶态材料。依据材料组分，透光范围从可见光可达红外光(约为20μm)，且在范围内都表现出较低的光线吸收损耗，特别是在红外波段有着近乎为零的消光系数，展现出极为优异的红外透光性能；此外，其良好的化学稳定性和热稳定性、高非线性、低成本等优势也为构建高效率低成本高品质光学超构表面器件提供了机遇，其在超构表面相关器件、特别是红外超构表面相关器件的实际应用成为可能。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明基于硫属化合物材料具有较低的光纤吸收损耗、特别是在红外波段有着近乎为零的消光系数的特性，提出采用硫属化合物材料构建超构表面器件的构思，使其在红外光场调控器件的实际应用成为可能。

为了实现上述目的，具体通过以下技术实现：

本发明提供了一类红外光场调控器件，该红外光场调控器件包括基于硫属化合物材料的超构表面，该超构表面是由基底和排布在所述基底上的亚波长结构单元构成，所述亚波长结构单元是由所述硫属化学物材料组成，所述硫属化学物材料为Ge-Sb-S(GSS)、Ge-As-Se(GAS)、As-Se(AS)、Ga-La-S(GLS)中的一种或多种。

进一步地，上述基底为硅基底、ZnSe/ZnS基底、硫属铌酸锂基底、硫属化学物基底、ITO基底中的一种。

进一步地，所述亚波长结构单元的形状为纳米圆柱形结构、工字结构形状、十字架纳米柱状结构形状、椭圆状纳米天线结构形状中的一种，且若干个所述亚波长结构单元在所述基底上呈阵列周期性排布，所述亚波长结构的尺寸小于作用光波波长的周期结构。

优选地，上述硫属化学物材料为Ge₂₅Sb₁₀S₆₅、Ge₁₂As₂₄Se₆₄、As₂Se₃、30Ga₂S₃-70La₂S₃中的一种。

本发明还提供上述红外光场调控器件的制备方法，包括以下步骤：

S1、将基底清洗并烘干；

S2、采用热蒸镀或磁控溅射等方法在所述基底上生长硫属化学物材料薄膜

S3、采用干法或湿法在步骤S2的薄膜上刻蚀出亚波长结构单元的阵列。

进一步地，上述红外光场调控器件为红外光束偏转器、红外超透镜、中红外光偏振分束器、中红外全息成像器等微纳器件中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明提供的红外光场调控器件，包括了基于硫属化合物材料的超构表面结构，该超构表面的亚波长结构单元由硫属化学物材料组成，从而使该超构表面表现出较低的吸收损耗，特别是在红外波段有着近乎为零的消光系数，展现出极为优异的红外透光性能，此外，其良好的化学稳定性和热稳定性、高非线性、低成本等优势也为构建高效率低成本高品质光学超构表面器件提供了机遇，特别是在红外超构表面相关器件中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中的红外光束偏转器的示意图；

图2为实施例1中的红外光束偏转器的超构表面的示意图；

图3为实施例1中的红外光束偏转器的光场剖面相位图。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，如未特别说明，均为常规技术，所用试剂如未特别说明，均来源于商业化渠道。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中超构表面的制备方法无特殊说明时都包括以下步骤：

S1、将基底清洗并烘干；

S2、采用热蒸镀或磁控溅射的方法在所述基底上生长硫属化学物材料薄膜

S3、采用干法或湿法在步骤S2的薄膜上刻蚀出亚波长结构单元的阵列。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实例提供了一种高偏转效率的红外光束偏转器，该红外光束偏转器包括基于硫属化合物材料的超构表面结构，该超表面包括基底和排布在所述基底上的阵列周期性分布的若干亚波长结构单元，所述亚波长结构单元能够对光进行较大角度地偏转和实现较高的偏转效率。

具体地，如图1和图2所示，该红外光束偏转器的超构表面的基底为硅基底(Si)，亚波长结构单元是由属于硫系材料的Ge₂₅Sb₁₀S₆₅(GSS)组成的纳米圆柱形结构。入射光波长选取为中红外波段下的3μm单波长，由于GSS具有优异的红外透过率，使得入射光在经过超构表面结构时不会出现部分光被材料吸收、损耗的情况。本实施中超构表面的基底的晶格常数为1-2μm，每个结构单元GSS高度为2μm，结构单元半径为200nm-600nm构成一个周期，则周期为12μm，使透射光得以在预定角度下偏转并同时保持着高偏转效率，即入射光功率近似等于透射光功率，从而实现高效率的光束偏转功能，即实现了如图3所示的光束偏转效果。

本实例在设计结构单元结构尺寸和周期性时，通过FDTD数值仿真获得了光场的剖面相位图，由图3我们可以看到入射光在经过超构表面结构后波前产生了一个倾斜的角度，且偏转效率较高，有利于该全硫系超表面光束偏转器在实际中的应用。

实施例2

本实例提供了一种高聚焦效率的红外超透镜，该红外超透镜包括基于硫属化合物材料的超构表面结构，该超表面包括基底和排布在所述基底上的阵列周期性分布的若干亚波长结构单元，所述亚波长结构单元能够实现红外波段的聚焦效果。

具体地，该超表面的基底为ITO基底，亚波长结构单元是由属于硫系材料的Ge₁₂As₂₄Se₆₄(GAS)组成的椭圆状纳米天线结构。由于GAS具有具有优异的红外透过率，使得入射光在经过超构表面结构时不会出现部分光被材料吸收、损耗的情况。通过合理设计该结构单元的周期性、GAS高度、GAS长度、GAS宽度、GAS倾斜角度等，使得透射光得以在预定焦距下偏转并同时保持着高偏转效率，从而实现红外光的聚焦功能。

本实例通过设计结构单元结构尺寸和周期性，从而实现红外光的聚焦功能，且效率较高，有利于该全硫系超透镜在实际中的应用。

实施例3

本实例提供了一种高起偏效率的中红外光偏振分束器，该中红外光偏振分束器包括基于硫属化合物材料的超构表面结构，该超表面包括基底和排布在所述基底上的阵列周期性分布的若干亚波长结构单元，所述亚波长结构单元能够实现中红外波段的起偏功能。

具体地，该超表面的基底和亚波长结构单元均是由属于硫系材料的As₂Se₃(AS)组成，且亚波长结构为“十字架”纳米柱状结构。由于AS具有优异的红外透过率，使得入射光在经过超构表面结构时不会出现部分光被材料吸收、损耗的情况。通过合理设计该结构单元的周期性、AS高度、AS长度、AS宽度等，使得入射光通过该超构表面结构后分出两束偏振光，一束为沿x轴的偏振光，另一束为沿y轴的偏振光，且两束光的功率能量相等，近似为入射光功率的二分之一，从而实现中红外光的偏振分束功能。

本实例通过设计结构单元结构尺寸和周期性，从而实现中红外光的偏振功能，且效率较高，有利于该全硫系偏振分束器在实际中的应用。

实施例4

本实例提供了一种高清晰度的中红外全息成像器，该中红外全息成像器包括基于硫属化合物材料的超构表面结构，该超表面包括基底和排布在所述基底上的阵列周期性分布的若干亚波长结构单元，所述亚波长结构单元能够实现中红外波段的全息成像功能。

具体地，该超表面的基底为铌酸锂基底，亚波长结构单元是由属于硫系材料的30Ga₂S₃-70La₂S₃(GLS)组成的“工”字结构。由于GLS具有优异的红外透过率，使得入射光在经过超构表面结构时不会出现部分光被材料吸收、损耗的情况。通过合理设计该结构单元的周期性、GLS高度、GLS长度、GLS宽度等，从而实现中红外的全息成像功能。

本实例通过设计结构单元结构尺寸和周期性，从而实现中红外的全息成像功能，且效率较高，有利于该全硫系全息成像在实际中的应用。

以上具体实施方式详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一类红外光场调控器件，其特征在于，包括基于硫属化合物材料的超构表面，所述超构表面是由基底和排布在所述基底上的亚波长结构单元构成，所述亚波长结构单元是由所述硫属化学物材料组成，所述硫属化学物材料为Ge-Sb-S(GSS)、Ge-As-Se(GAS)、As-Se(AS)、Ga-La-S(GLS)中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的红外光场调控器件，其特征在于，所述基底为硅基底、ZnSe/ZnS基底、硫属铌酸锂基底、硫系玻璃基底、ITO基底中的一种。

3.根据权利要求1所述的红外光场调控器件，其特征在于，所述亚波长结构单元的形状为纳米圆柱形结构、工字结构形状、十字架纳米柱状结构形状、椭圆状纳米天线结构形状中的一种。

4.根据权利要求1所述的红外光场调控器件，其特征在于，若干个所述亚波长结构单元在所述基底上呈阵列周期性排布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的红外光场调控器件，其特征在于，所述红外光场调控器件为红外光束偏转器、红外超透镜、中红外光偏振分束器、中红外全息成像器等微纳器件中的一种。

6.权利要求1-4任一项所述的红外光场调控器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将基底清洗并烘干；

S2、采用热蒸镀或磁控溅射等方法在所述基底上生长硫属化学物材料薄膜；

S3、采用干法或湿法在步骤S2的薄膜上刻蚀出亚波长结构单元的阵列。