偏振不敏感电磁吸收结构的制作方法

本实用新型涉及一种偏振不敏感电磁吸收结构。

背景技术：

人造周期性亚波长金属-介质结构的超材料吸收器件具有极大的应用研究价值，可应用在诸多领域，包括太阳能电池、等离子传感器、光电探测、热辐射及颜色防伪等领域。典型的吸收器件由周期性亚波长金属结构、介质层及底层金属平面组成。由于结构不对称特性，对于一维图形化周期性结构，往往聚焦于TM偏振光入射实现超高效率吸收，这是因为TM偏振光可以激发强烈的磁场共振或表面等离子共振，此时，TE偏振光几乎只有反射存在。对于常规化的一维图形化周期性结构，通常无法实现偏振不敏感的吸收特性。然而在实际应用中，对于提高光能的利用效率，偏振不敏感的吸收特性往往是衡量一个结构的重要特征。

为实现偏振不敏感吸收，研究人员将目光聚焦到二维周期性结构，由于二维周期结构的旋转对称特性，可以实现TM偏振和TE偏振光在正入射时相同的吸收特性。但二维周期结构在制备工艺上较一维结构更为复杂，限制了其工业化应用道路。近年来，也有一些基于一维偏振不敏感的吸收结构被研究人员提出，例如，Rui Feng等人发表的一篇学术文章，提出了一种一维吸收结构，由多种金属-介质层组成，针对不同偏振光，构成了不同的共振效果，从而实现了TM和TE偏振光的近似吸收特性，但其存在的如下问题：

(1)针对可见光波段的一维偏振不敏感的结构具有极大的应用前景；

(2)采用旋转对称的二维周期性结构，制备工艺较之一维更为复杂；

(3)针对不同偏振的吸收效率随角度波动幅度大，吸收效率退化；

(4)所设计的一维偏振不敏感吸收结构复杂，不利于制备。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种偏振不敏感电磁吸收结构，其结构简单，吸收效率高，且针对不同偏振光的入射情况，均有较好的吸收效果。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：1、一种偏振不敏感电磁吸收结构，其特征在于，包括：

金属光栅层，具有光栅凹槽；

非金属填充介质，设置于所述光栅凹槽内。

进一步地，所述光栅凹槽在金属光栅层上呈周期性布置，其周期不大于500nm。

进一步地，所述光栅凹槽在所述金属光栅层上的占空比为0.4-0.8。

进一步地，所述光栅凹槽的高度为50-400nm。

进一步地，所述偏振不敏感电磁吸收结构所接收的光的偏振角度为0°-45°。

进一步地，所述光栅凹槽呈条状。

进一步地，所述金属光栅层为一维金属光栅。

进一步地，所述金属光栅层的材料为铝、银、金中的任意一种。

进一步地，所述金属光栅层的厚度大于可见光波段在金属上的趋肤深度。

进一步地，所述非金属填充介质为二氧化硅或氮化硅。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的偏振不敏感电磁吸收结构通过在金属光栅层上形成光栅凹槽，并在光栅凹槽内设置非金属填充介质，从而使其结构更为简单，提高了吸收效率，且针对不同偏振光的入射情况，均有较好的吸收效果。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一实施例所示的偏振不敏感电磁吸收结构的结构示意图；

图2至图1所示的偏振不敏感电磁吸收结构的吸收光谱与偏振角度、入射波长的关系图；

图3和图4分别示出了图1所示的偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振和TE偏振光入射时的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图；

图5和图6分别示出了图1所示的偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与周期、入射波长的关系图；

图7和图8分别示出了图1所示的偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与光栅凹槽的高度、入射波长的关系图。

图9和图10分别示出了图2所示的偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比f、入射波长的关系图；

图11为本实用新型一实施例所示的偏振不敏感电磁吸收结构的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

请参见图1，本实用新型一实施例所述的偏振不敏感电磁吸收结构包括形成在基底1上的金属光栅层2和非金属填充介质3。所述金属光栅层2的材料为铝、银、金中的任意一种。所述金属光栅层2具有光栅凹槽4，该光栅凹槽4可呈条状，该光栅凹槽4在金属光栅层2上呈周期性布置，其周期不大于500nm，该光栅凹槽4在金属光栅层2上的占空比为0.4-0.8。该光栅凹槽4的高度为50-400nm。所述金属光栅层2为一维金属光栅。偏振不敏感电磁吸收结构所接收的光的偏振角度为0°-45°。所述非金属填充介质3可为二氧化硅或氮化硅，该非金属填充介质3设置于所述光栅凹槽4内，该非金属填充介质3可以铺满光栅凹槽4，可以接近铺满状态，也可以呈现溢出光栅凹槽4状态。所述金属光栅层2的厚度大于可见光波段在金属上的趋肤深度。在一种较优地方案中，该光栅凹槽4在金属光栅层2上的周期为320nm，占空比为0.6，光栅凹槽4的高度为150nm，非金属填充介质3为氮化硅且铺满整个光栅凹槽4，金属光栅层2的材料为铝。

下面通过多个实施例对该偏振不敏感电磁吸收结构进行分析详细，其中，周期用p代表，脊部宽度用w代表，占空比用f代表，f＝w/p，高度用h代表(如图1所示)。

实施例一

本实施例中的偏振不敏感电磁吸收结构的金属光栅层为一维金属光栅，周期p为320nm，占空比f为0.6，高度h为150nm，金属光栅层的材料为铝，非金属填充介质为氮化硅。请结合图2，该图2为本实施例的偏振不敏感电磁吸收结构的吸收光谱与偏振角度、入射波长的关系图，采用严格耦合波理论(RCWA)对其吸收特性及偏振特性进行分析，本实施例的偏振不敏感电磁吸收结构通过将TM偏振激发的共振和TE偏振激发的共振耦合到了光栅凹槽的非金属填充介质内，使其在同一结构位置激发不同偏振的共振，从而实现了一维偏振不敏感的吸收特性。TM偏振光在光栅凹槽内激发了强烈的磁场共振，磁场共振导致了高吸收；而TE偏振光在光栅凹槽内激发了强烈的腔共振，腔共振导致了高吸收。通过对共振的激发，可以看出，其共振波长的位置受制于结构参数的设计，因此，针对不同偏振光情况，在同一波长可实现高吸收效果，具体的：由图2可以看出，在偏振角度0°，即TM偏振光正入射时，吸收光谱在波长520nm处具有极高的吸收效率，其吸收接近100％，在偏振角度90°，即TE偏振光正入射，吸收光谱在波长520nm处也具有高的吸收效率，吸收效率为95％，且不同偏振角度情况下，吸收带较为接近。

实施例二

本实施例中，所采用的偏振不敏感电磁吸收结构与实施例一相同，请结合图3和图4，该图3和图4分别示出了偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振和TE偏振光入射时的吸收光谱与入射角度、入射波长的关系图。由图3和图4中可以看出，TM偏振光入射情况下，随着入射角度从0-45°变化，吸收效率几乎保持不变，共振波长仅发生少许位移，这是由于TM共振所激发的磁场共振随入射角度的增大，磁场分量依然存在，因此吸收效率保持不变。TM偏振光入射情况下，随着入射角度从0-45°变化，吸收效率略有降低，共振波长几乎保持不变，这是由于TE共振激发腔共振，而腔共振的共振波长随入射角度变化几乎无影响。

实施例三：

在本实施例中，所采用的偏振不敏感电磁吸收结构与实施例一基本相同，区别在于：周期p从100nm变化至400nm，请结合图5和图6，该图5和图6分别示出了偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与周期P、入射波长的关系图。在本实施例中，通过调整周期P，观察周期P变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中，入射角度为0°。从图5和图6中可以看出，TM偏振光正入射，周期P从100nm变化至400nm时，对于共振波长处的吸收效率几乎没有影响，且共振波长随着周期P的增大发生一些位移，这是因为周期P的增大，改变了构建磁场共振的结构环境，进而影响了共振波长的位置。TE偏振光正入射时，随着周期P的增大，共振波长位置发生明显变化，这是因为周期P的增大导致构建腔共振的环境变化，而腔共振的共振波长受制于所形成的腔的物理尺寸。

实施例四：

本实施例中所采用的偏振不敏感电磁吸收结构与实施例一基本相同，区别在于：调整了光栅凹槽的高度h，请结合图7和图8，该图7和图8分别示出了偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与光栅凹槽的高度h、入射波长的关系图。在本实施例中，调整高度h，观察高度h变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中，入射角度为0°。从图中可以看出，TM偏振光正入射，随着高度h逐渐增加，构建了激发磁场共振的物理条件，引发了共振吸收的形成，且随着高度h逐渐增加，多级磁场共振形成，导致了在可见光范围内的多级共振峰的形成，因此，选择合适的高度h对于实现单波长近完美吸收有着重要的意义。TE偏振光正入射时，随着高度h的增加，出现了明显了多带吸收特性，这是由于高度h的增加形成了多级腔共振。

实施例五：

本实施例所采用的偏振不敏感电磁吸收结构与实施例一基本相同，区别在于：调整占空比f，请结合图9和图10，该图9和图10分别示出了偏振不敏感电磁吸收结构的TM偏振光和TE偏振光的吸收光谱与金属光栅层占空比f、入射波长的关系图。在本实施例中，调整占空比f，观察占空比f变化对该结构的吸收光谱的影响，其他结构参数与实施例一相同，其中，入射角度为0°。从图中可以看出，TM偏振光正入射，占空比f从0.3增加至0.8过程中，共振波长处吸收效率影响不大，共振波长发生略微位移，其解释原理类似周期变化，占空比f的变大，导致了构建磁场共振的结构环境变化，从而改变了共振波长的位置。对于TE偏振光正入射的情况，随着占空比f的增大，共振波长发生明显位移，这是由于占空比f的增大带动了腔共振的环境变化，改变了激发共振时的波长位置。

在下述实施例中，虽然仅涉及了金属铝，然而其符合本实用新型要求的金属也应当在本实用新型所主张的保护中，比如金属银、金等，因此本实用新型对其他符合本实用新型要求的金属将不一一进行列举。通过实施例一至五，可以看出本实用新型的偏振不敏感电磁吸收结构通过选择合适的结构参数，能够在可见光波段实现宽角度变化范围内高效率吸收；该一维结构在TM偏振光和TE偏振光入射情况下，均可实现同一波长处高效率吸收；并且偏振不敏感电磁吸收结构的结构简单。

请参见图11并结合图1，本实用新型一实施例还提供了用于上述偏振不敏感电磁吸收结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

S1：提供在其上形成有金属平面层的基底1；

S2：在所述金属平面层上形成光栅凹槽4；

S3：在所述光栅凹槽4内填充非金属填充介质3。

具体的：所述步骤S1具体包括：S11、提供基底；S12、在基底上形成金属平面层。

所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21：在金属层面上旋涂或喷涂光刻胶；

S22：采用紫外光刻或者全息曝光的方法形成光刻胶图案；

S23：采用物理刻蚀或化学刻蚀方法将光刻胶图案转移至金属层；

S24：洗去表面光刻胶以形成光栅凹槽4，从而金属光栅层2的制作。

所述光栅凹槽4在所述金属平面层上呈周期性布置，其周期不大于500nm，光栅凹槽4在所述金属平面层上的占空比为0.4-0.8，所述光栅凹槽4的高度为50-400nm。所述偏振不敏感电磁吸收结构所接收的光的偏振角度为0°-45°。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。