CN1920619A - 一维金属介质光子晶体及其设计方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种一维金属介质光子晶体，其膜层由具有特殊厚度的金属层和介质层按照某种特定序列排列而成的一维结构；所述“特殊厚度”是指与金属趋肤深度相当的几何厚度；所述“特定序列”指周期结构和准周期结构。本发明结构的高吸收谱带宽度、吸收率大小、角度适用范围的指标由介质和金属的材料参数、几何厚度及其重复单元周期数S结构参数共同决定，这些参数根据吸收工作波段和对吸收率的要求进行选择。本发明宽入射角宽带高吸收类型可用于军事目标的隐形或应用于宽带激光能量计或功率计接收器的增大吸收膜层；窄带高吸收类型可用于激光焊接或其他领域。本发明易于设计和制备，克服了已有光子晶体结构复杂和高难度制作的缺点，应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及金属介质光子晶体技术，特别涉及一维金属介质光子晶体及其设计方法与应用。
背景技术
金属介质光子晶体的研究已成为国际重要前沿研究，其中一个热点是寻找在特定波段实现高吸收特性的结构。目前，已报道的具有该种性质的光子晶体结构都很复杂，对实验制备技术要求非常高，而且该结构只能实现对单一偏振或单一波长的电磁波吸收。因此大大制约了其应用(Engineering the structure-induced enhanced absorption in three-dimensionalmetallic photonic crystals，Phys.Rev.E 70，066611，2004)。一维金属介质光子晶体(即传统的薄膜结构)的制作技术很简单，主要利用目前比较成熟的镀膜技术和镀膜设备，因而该结构具有良好的应用前景。另一方面，一维金属介质光子晶体存在截止频率。在该截止频率附近，光波的群速度会变得非常慢，再加上纳米金属层的本征吸收，就有望实现具有特定用途的高吸收结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种结构相对简单，易于制备实现的一维金属介质光子晶体结构；该一维金属介质光子晶体结构可具宽入射角及宽带高吸收特性或具窄带高吸收特性。
本发明的另一目的在于提供一种设计上述一维金属介质光子晶体的方法。
本发明的再一目的在于提供上述具宽入射角及宽带高吸收特性或具窄带高吸收特性的一维金属介质光子晶体的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：本一维金属介质光子晶体的结构特征在于膜层是由具有特殊厚度的金属层和介质层按照某种特定序列排列而成的一维结构，可实现高吸收特性；所述“特殊厚度”是指与金属趋肤深度相当的几何厚度；所述“特定序列”主要是指周期结构和准周期结构。
其中，具宽入射角及宽带高吸收特性的准周期结构较典型的例子是斐波纳契(Fibonacci)或Thue-Morse序列排列的结构。其中斐波纳契准周期序列的符号表示如下：Fj+1＝{Fj-1，Fj}，j≥1，F0＝M，F1＝D，其中，Fj为斐波纳契准周期第j代序列；Thue-Morse准周期序列的符号表示如下：TM0＝D，其余序列按照规则“D→DM、M→MD”类推，例如TM1＝DM、TM2＝DMMD等等；其中D为介质膜层，其折射率和几何厚度分别为nD，dD；M为金属膜层，其折射率和几何厚度分别为nM，dM。例如，对于第五代和第七代斐波纳契准周期序列，其膜系结构分别为F5＝(DMDMDDMD)S，F7＝(DMDMDDMDMDDMDDMDMDDMD)S；对于第五代Thue-Morse准周期序列，其膜系结构为TM5＝(DMMDMDDMMDDMDMMDMDDMDMMDDMMDMDDM)S。上述三式中括号(…)代表一个单元的膜系排列组合，S为重复单元周期数。
本发明提出的“具宽入射角及宽带高吸收特征的一维金属介质光子晶体”还包括利用上述若干个单一结构组成的异质结结构。利用该类金属介质光子晶体异质结结构，我们可以把高吸收带的带宽作进一步的提高。这一优越的性质将会在很多器件(如太阳能集热器等)上带来广阔的应用前景。通过类似上面描述的选择原则，对材料和其几何厚度作合适的选择和调节，就可以设计出同时覆盖可见光和近红外波段的结构。同时，上述宽带高吸收一维金属介质光子晶体的高吸收特性，均适合双偏振和大角度入射的需求。
本发明提出的“具窄带高吸收特征的一维金属介质光子晶体”最典型、最简单的一种是只有四层膜层的结构，如M1D1M2D2；其中D1和D2为电介质材料，如二氧化硅、氟化钙、氟化镁等，它们可以是同种或不同种材料；M1和M2为金属，如镍、铬、锡，或者是它们的合金；M1和M2也可以是同种或不同种金属。
本发明提出的“具宽入射角及宽带高吸收特征”或“具窄带高吸收特征”的一维金属介质光子晶体是根据光子晶体的态密度理论而得到的。一维金属介质光子晶体存在截止频率，低于该频率的所有电磁波将被完全禁止在晶体内传播。在截止频率附近，光子态密度会出现急剧增大，从而导致光波群速度非常慢；如果纳米金属层存在本征吸收且阻抗匹配，光波就基本上被完全吸收。
下面对本发明提出的一维金属介质光子晶体的设计方法阐述如下：
对于“具宽入射角及宽带高吸收特征”的一维金属介质光子晶体，其结构的高吸收谱带宽度、吸收率大小、角度适用范围等重要指标都由介质和金属的材料参数、几何厚度(nD，dD，nM，dM)、及其重复单元周期数S等结构参数共同决定。这些参数可根据吸收工作波段和对吸收率的要求进行选择。例如，对于给定的某种序列(如Fj)，每一种结构参数(nD，dD，nM，dM)组合的一维金属介质光子晶体结构，其高吸收波段将不同。我们可以根据不同的应用要求，反过来设计不同的结构参数。首先，介质膜层D的材料要求选择低介电常数(即低折射率)的材料，其几何厚度越大，吸收波段的中心波长越红移。第二，金属膜层M要求材料本征吸收要大，如钨、镍、铬等；同时还要求金属膜层厚度与该金属材料的趋肤深度相当。第三，根据对吸收带宽和吸收率的要求不同，选择不同的准周期序列代数j(j＝1～7)；j值越大，性能越好。第四，重复单元周期数S不会影响吸收波段，但会影响吸收率；S值越大，吸收率越大。
对于“具窄带高吸收特征”的一维金属介质光子晶体，其结构的最大吸收峰、吸收率大小、角度适用范围等重要指标仍由介质和金属的材料参数、几何厚度、及其重复单元周期数S等结构参数共同决定。采用上述类似的方法，再根据不同的工作波长和不同的吸收率要求，进行按需设计。
本发明提出的一维金属介质光子晶体在工艺制作方面有着多种的制备方法，例如用高性能的镀膜机镀膜，也可用分子束外延或有机金属化学汽相淀积法生长等。
总之，按上述设计思想，得到的“具宽入射角及宽带高吸收特征”的一维金属介质光子晶体的高吸收谱带宽度可在大角度范围内覆盖很宽的波段，吸收率可以达到99％以上。该结构易于设计和制备，克服了已有光子晶体结构复杂和高难度制作的缺点。同时，该结构集宽带、双偏振、大角度和几乎完全吸收等众多优良特性于一身，大大的拓展了其应用范围。例如，利用该一维金属介质光子晶体结构所具有宽入射角及宽带高吸收的特性，可以有效解决飞机等军事目标的高性能吸波要求(吸收率大于99％)。而且膜层的质量非常小，满足军用设备轻便的要求。因此宽带高吸收一维金属介质光子晶体可广泛用于飞机或导弹对激光制导导弹的隐形。此外还可应用于宽带激光能量计或功率计接收器的增大吸收膜层，或用于如太阳能集热器等高效吸光吸热器件。
本发明提出的“具窄带高吸收特征”的一维金属介质光子晶体也有众多应用，例如激光焊接技术。众所周知，激光焊接是电子器件和光电子器件封装的重要发展方向。在光电子器件中，以红外激光为手段，金属膜为焊接层，可以实现“透明材料”的无损、高效、精密连接。通过调整激光的能量、光束半径，使之透射经过透明材料，进而加热不同透明材料之间的焊料实现焊接。这种技术充分利用了激光的高效、精密等优点，同时实现了无损焊接。但因金属焊料在低温下反射率很高，为使它熔化，必须加大入射的激光功率，但当金属焊料接近熔化时，它突然变成全吸收，就会因吸收的激光能量过大而产生气化使焊接失败，所以必须解决金属焊料低温时就对激光实现全吸收的问题。本发明中的窄带高吸收一维金属介质光子晶体就实现了这一关键技术。利用该结构的一维金属介质光子晶体使得激光被全吸收，因此可以把激光调到焊接最佳功率水平，使焊接非常好。在用于电子器件和光电子器件的封装激光焊接时，在吸收材料和结构的性质要求方面，除了仍要求吸收率很大之外，只要求窄带吸收即可。此时结构要求简单和容易制作。本发明中的窄带高吸收一维金属介质光子晶体就可以满足此要求，其中最典型、最简单的一种是只有四层膜层的结构。此外，还可应用于窄带激光能量计或功率计接收器的增大吸收膜层。
附图说明
图1为由第五代斐波纳契序列排列而成的一维金属介质光子晶体的吸收特征图；其中，(a)为光谱图，阴影区表示吸收率大于90％；(b)为双偏振光的吸收边缘随入射角度的变化图。
图2为由第七代斐波纳契序列排列而成的一维金属介质光子晶体的吸收光谱图；其中阴影区表示吸收率大于99％。
图3为由Thue-Morse 5序列排列而成的一维金属介质光子晶体的吸收光谱图；其中阴影区表示吸收率大于95％。
图4为结构为(M1D1M2D2)的窄带高吸收特征的一维金属介质光子晶体的吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1示出了利用第五代斐波纳契准周期序列的一维金属介质光子晶体的吸收特征图，可以实现宽入射角及宽带高吸收。结构采用F5＝(DMDMDDMD)S，其中，D为nD＝1.38的材料(如SiO2)，dD＝180nm，M为金属钨，dM＝10nm，S＝3。图1(a)表明，吸收率在90％以上的谱带宽度覆盖了从0.745μm到1.708μm很宽的频带，总厚度为2.79μm。图1(b)表明，双偏振光的高吸收边缘在0～50°的入射角度范围内几乎不变，表明该结构的角度适用范围很广，基本上能满足大角度入射的需求。
实施例2
图2示出了利用第七代斐波纳契准周期一维金属介质光子晶体的吸收光谱图，可以实现宽入射角及宽带高吸收。结构采用F7＝(DMDMDDMDMDDMDDMDMDDMD)S，其中S＝1，其他参数如实施例1一样。图2表明，吸收率在99％以上的谱带宽度覆盖了中心波长为1μm、带宽从0.868μm到1.133μm的频带，总厚度为3.07μm。对于横电模和横磁模两种偏振态，该吸收性质的角度适用范围为0～50°，基本上能满足大角度入射的需求。
实施例3
图3示出了利用Thue-Morse准周期一维金属介质光子晶体的吸收光谱图，实现宽带及宽入射角高吸收。结构采用TM5＝(DMMDMDDMMDDMDMMDMDDMDMMDDMMDMDDM)S，其中，D为nD＝2.67的材料(例如GaN)，dD＝80nm，M为金属铬，dM＝10nm。S＝1。图3表明，吸收率在95％以上的谱带宽度覆盖了中心波长为1.024μm、带宽从0.817μm到1.23μm的频带，总厚度为1.44μm。对于横电模和横磁模两种偏振态，该吸收性质的角度适用范围为0～60°，基本上能满足大角度入射的需求。
实施例子1～3中，都是宽入射角宽带高吸收一维金属介质光子晶体的结构设计例子。该特性可以用于军事上对激光制导和激光雷达的隐身。激光制导和激光雷达今后主要是用全固化激光和近红外半导体激光，所以隐身就是在需要在飞机等军事目标的表面涂覆上宽波段的、吸收率达99％以上的吸波材料。但是，现有的隐身涂料仅能实现对某一个或几个激光波长的低反射高吸收等缺点。本结构对解决上述缺点是非常理想的。还有，军用设备要求轻便，如装在导弹上越轻越好。实施例的结构厚度均在3μm以下，重量可忽略不计。同时，这些设计的结构简单，非常有利于制备。
实施例4
图4示出了窄带高吸收一维金属介质光子晶体的吸收光谱图。结构采用(M1D1M2D2)S，其中D1和D2均为nD＝1.38的材料(如SiO2)，DD1＝200nm，dD2＝253nm，M1和M2均为金属镍，dM1＝10nm，dM2＝80nm，S＝1。由图4可见，该结构体现了窄带高吸收特性。在1.06μm处吸收率达到99.9％，实现完全吸收。该结构的最大特色就是结构很简单，有利电子器件和光电子器件封装的激光焊接中的低成本大规模生产。在实际生产中，金属层材料将选该电子器件和光电子器件封装所需的焊料合金。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种一维金属介质光子晶体，其特征在于：其膜层由具有特殊厚度的金属层和介质层按照某种特定序列排列而成的一维结构；所述“特殊厚度”是指与金属趋肤深度相当的几何厚度；所述“特定序列”指周期结构和准周期结构。
2、根据权利要求1所述的一维金属介质光子晶体，其特征在于：所述准周期结构是斐波纳契或Thue-Morse序列排列的结构；其中，斐波纳契准周期序列的符号表示如下：Fj+1＝{Fj-1，Fj}，j≥1，F0＝M，F1＝D，其中，Fj为斐波纳契准周期第j代序列；Thue-Morse准周期序列的符号表示如下：TM0＝D，其余序列按照规则D→DM、M→MD类推；其中D为介质膜层，其折射率和几何厚度分别为nD，dD；M为金属膜层，其折射率和几何厚度分别为nM，dM。
3、根据权利要求2所述的一维金属介质光子晶体，其特征在于：所述斐波纳契序列排列为第五代或第七代斐波纳契准周期序列；其中第五代序列的膜系结构为F5＝(DMDMDDMD)S；第七代序列的膜系结构为F7＝(DMDMDDMDMDDMDDMDMDDMD)S；上述式中括号(...)代表一个单元的膜系排列组合，S为重复单元周期数。
4、根据权利要求2所述的一维金属介质光子晶体，其特征在于：所述斐波纳契序列排列为第五代Thue-Morse准周期序列；其膜系结构为TM5＝(DMMDMDDMMDDMDMMDMDDMDMMDDMMD MDDM)S；上述式中括号(...)代表一个单元的膜系排列组合，S为重复单元周期数。
5、根据权利要求2所述的一维金属介质光子晶体，其特征在于：包括利用若干个单一结构组成的异质结结构。
6、根据权利要求1所述的一维金属介质光子晶体，其特征在于：为四层膜层的结构M1D1M2D2；其中D1和D2为电介质材料，是同种或不同种材料；M1和M2为金属或合金；是同种或不同种金属或合金。
7、根据权利要求1～6任一项所述的一维金属介质光子晶体的设计方法，其特征在于：一维金属介质光子晶体结构的高吸收谱带宽度、吸收率大小、角度适用范围的指标由介质和金属的材料参数、几何厚度及其重复单元周期数S结构参数共同决定，这些参数根据吸收工作波段和对吸收率的要求进行选择。
8、根据权利要求7所述的一维金属介质光子晶体的设计方法，其特征在于：所述结构参数设计原则如下：首先，介质膜层的材料要求选择低介电常数的材料，其几何厚度越大，吸收波段的中心波长越红移；第二，金属膜层要求材料本征吸收大，同时还要求金属膜层厚度与该金属材料的趋肤深度相当；第三，根据对吸收带宽和吸收率的要求不同，选择不同的准周期序列代数j(j＝1～7)；第四，重复单元周期数S不影响吸收波段，但影响吸收率；S值越大，吸收率越大。
9、根据权利要求2～5任一项所述的一维金属介质光子晶体的应用，其特征在于：用于军事目标的隐形；或应用于宽带激光能量计或功率计接收器的增大吸收膜层；或用于太阳能集热器。
10、根据权利要求6所述的一维金属介质光子晶体的应用，其特征在于：用于激光焊接；或应用于窄带激光能量计或功率计接收器的增大吸收膜层。
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