[发明专利]基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器

说明书

技术领域

本专利涉及宽带光谱吸收器，特别是一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质 多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器。

背景技术

一般来说，基于亚波长结构的光谱吸收器分为两种：一种是在较窄的带宽内有着 理想的吸收，主要用于设计高灵敏度的探测器、热成像器件以及窄带吸收/热辐射器，常称 为选择性吸收器。另一种是在较宽的波带范围内均有着很高的吸收，称为宽带吸收器，它主 要应用于太阳能电池、热光伏器件和隐身等领域。目前，对基于亚波长结构的宽带吸收研究 已经成为一个热点方向。

但是目前的吸收器都有着吸收带宽窄和对偏振性敏感的缺陷。为了扩展吸收带 宽，一个简单和有效的方法就是在吸收器的一个周期内采用多重的谐振结构，它们在各自 的谐振波长处可以实现近100％的理想吸收，并且它们的谐振波长很接近，吸收带宽重叠， 从而形成宽带吸收【在先技术1：C.Wuetal.,Opt.Lett.37,308–310(2012)】。由于在一个 亚波长周期内所能混合的谐振单胞的数量有限，因而该方法所拓展的带宽仍然是有限的。 为了进一步的扩展吸收带宽，人们提出并实验验证了各向异性超材料的概念。Cui等人提出 了一种锯齿形的各向异性超材料平板TM偏振吸收器，在垂直入射时，其在3到5.5μm的带宽 范围内吸收率高于95％【在先技术2：Cui,Y.etal.,NanoLett.12,1443-1447(2012)】。Ji 等人实际实现了一个基于多层金属-电介质薄膜的双曲吸收器，其宽带吸收可以再近红外 和中红外光谱范围内自由调谐【在先技术3：Ji,D.etal.,Sci.Rep.4,4498(2014)】。Zhou等 人设计了一个基于锥形金属-电介质多层结构的TM偏振宽带吸收器，其在可见光和红外波 段均有着较高的吸收【在先技术4：JingZhouetal.,ACSPhotonics,1(7),618–624 (2014)】。尽管如此，这些基于一维各向异性超材料的宽带吸收器有一个共同的缺陷，即它 们对入射光的偏振态敏感，这极大地限制了它们的潜在应用。Ding等人提出了一种基于二 维周期性金属-电介质多层四边形的截锥金字塔型超宽带吸收器，其在8GHz到14GHz范围内 对于垂直入射的光有着近100％的偏振无关吸收【在先技术5：Ding,Fet al.Appl.Phys.Lett.100,103506(2012)】。Liang等人提出了一种基于二维金字塔型的超材 料偏振无关吸收器，其在整个红外波段范围内有着极高的宽带吸收【在先技术6：Qiuqun Liangetal.,Adv.Opt.Mater.1,43–49(2013)】。尽管如此，这些基于二维各向异性超材料 的偏振无关宽带吸收器很难制作，这同样限制了其潜在的应用。

矩形光栅是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长 矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯 韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦 合波理论的算法【在先技术7：M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可 以解决这类亚波长光栅的衍射问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层 光栅结构的偏振无关宽带吸收器，当TE和TM偏振光垂直入射时，其在红外波段一个较宽的 波带范围的入射光将被吸收，偏振无关吸收率超过90％的带宽大于2微米，并且在很大的入 射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很大的角度无关性。因此，该偏振无关宽带 吸收器具有重要的实用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于红外波段的基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收 器，包括自上而下的金属-电介质多层光栅、金属薄膜反射层和电介质衬底，其中金属-电介 质多层光栅的周期d为1640～1645纳米，该金属-电介质多层光栅由N对金属光栅和电介质 光栅叠加组成，且占空比由上而下逐渐增加，金属光栅和电介质光栅的厚度分别为5.5～ 6.5纳米和257～259纳米，顶部光栅和底部光栅的宽度分别为100～105纳米和1595～1600 纳米，金属薄膜反射层的厚度大于光在红外波段的趋肤深度。