一种三光栅级联结构及基于三光栅级联结构的超宽带吸收器的制作方法

本发明涉及一种三光栅级联结构及超宽带吸收器，属于光学器件技术领域。

背景技术：

超材料是一类人工复合材料，可通过结构设计实现谐振频率及阻抗匹配，致使工作频率和带宽根据需求任意调控；同时其结构本身深度亚波长尺度，使超材料电磁结构的厚度非常小，可达波长的几十分之一，比传统吸收结构更利于实际应用。自2008年landy等人采用与自由空间阻抗相匹配法减小反射，使得吸收最大化，研制出第一个宽带吸收器以来，由于其在电磁隐身、热辐射、薄膜太阳能电池、传感器和探测等方面有着非常广泛的应用前景，成为研究的热点；尤其高性能跨频段吸收器，可在不同新领域发挥重大作用而备受青睐。如t.等利用三角槽金光栅设计结构获得500-1500横跨部分可见光和近红外光双频段光谱；(t.sergeyi.bozhevolnyi.surface-plasmonpolaritonresonancesintriangular-groovemetalgratings.physicalreviewb80,195407(2009))，该结构吸收频带窄且三角槽制作复杂，角度精确控制难度大。又如ji等提出一种在银反射镜表面交替堆积金属颗粒和氧化硅薄膜的结构，实现了300–1100nm吸收(jiting,penglining,zhuyuntao,etal.plasmonicbroadbandabsorberbystackingmultiplementallicnanoparticlelayers,appl.phys.lett.106,161107(2015))，此吸收器易于加工，但光谱带宽较窄。再如dasol等利用底层铬膜和顶层铜光栅之间置二氧化硅的设计结构获得了500-1200nm的可见光到近红外波段的宽带吸收(dasollee,sungyonghan,yeonggyojeong，etal.polarization-sensitivetunableabsorberinvisibleandnear-infraredregimes.scientificreports(2018)8:12393)，该结构吸收带宽较窄，只有700nm。上述方法有的制备复杂、成本高，不利于批量生产；有的结构相对简单，但吸收带宽窄。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的上述不足，提供一种三光栅级联结构，以及基于该三光栅级联结构的超宽带吸收器，该吸收器的吸收覆盖的吸收波段更宽，吸收率高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨。金属钨在紫外到红外波段具有较好的抗反射强透过特性，同时利用紫外到红外波段几乎零反射二氧化硅作为中间介质，构成三光栅级联单元后形成水平腔共振模，腔共振模与光衍射模耦合，致使入射光场均衡透射。

在上述三光栅级联结构中，所述的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度比为3:(1.8-2.5)：(1.5-2.2)。若三光栅宽度比超出该尺寸范围，透射谱光谱范围变窄或透过率降低。

在上述三光栅级联结构中，所述的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的高度比为3:(7-10)：(5-8)。若三光栅高度比超出该尺寸范围，透射谱光谱范围变窄或透过率降低。

在上述三光栅级联结构中，所述的三光栅级联单元的周期为是金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度和，总和为900-1120纳米。

作为优选，所述的金属钨块的宽度为400-500纳米，高度为100-150纳米。

作为优选，所述的二氧化硅介质宽度为300-320纳米，高度为400-450纳米。

作为优选，所述的条形金属钨的宽度为200-300纳米，高度为300-350纳米。

本发明还在于提供一种基于上述三光栅级联结构的超宽带吸收器，所述吸收器包括：

基底层，

铬膜层，其形成于基底层表面，用于增强光的反射，增大吸收；和

氮化硅层，其形成于铬膜层上，用于增大入射电磁波的吸收率；和

石墨烯层，其形成于氮化硅层上，用于增大等离子共振光场强度，提高吸收率；和

三光栅级联结构层，其形成于石墨烯层上，用于减小入射电磁波的反射，产生宽带共振吸收，增大吸收器的带宽和吸收率。

在上述超宽带吸收器中，所述基底层为硅或二氧化硅，所述基底层的厚度为0.1-5mm。

在上述超宽带吸收器中，所述铬膜层的厚度为100-120nm。

在上述超宽带吸收器中，所述氮化硅层的厚度为100-500nm。

在上述超宽带吸收器中，所述石墨烯层的厚度为30-100nm。

本发明研究了横磁(transversemagnetic，tm)偏振光波正入射情况下，即光波沿y轴反方向垂直入射时，入射电磁波吸收率和带宽。本发明超宽带吸收器由下至上依次包括基底层、铬膜层、氮化硅层、石墨烯层和三光栅级联结构层，通过改变各种介质的材料和厚度，以及通过采用不同厚度、宽度的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨有规律排列形成的结构单元并构成三光栅级联结构层，同时顶层的三光栅级联结构层通过采用亚波长结构，保证设计结构对入射电磁波的高吸收率。铬膜厚度优选100nm以上，大于其在紫外到红外波段的趋附深度，因此没有透射光，此时结构的光波吸收率可简化为a＝1-r，其中r为结构设计的光谱反射率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.吸收器基本单元的材料和物理尺寸，可以改变每个吸收器单元对入射电磁波的吸收特性，多个吸收器基本单元按照一定规律排布，可使吸收器对入射电磁波具有连续的宏观作用。本发明的三光栅级联结构分别将不同厚度、宽度的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨有规律排列形成结构单元，从而实现三个吸收峰整体上的叠加。

2.相比于传统的吸收器，本发明的吸收器能覆盖的光谱范围更宽，跨越部分紫外光、全部可见光、部分红外线；吸收率高，尤其近红外波段，吸收率达90％以上。

3.由于本发明吸收器各部分均采用条形结构，制备方便，成本低。

附图说明

图1为本发明三光栅级联结构的结构示意图。

图2为本发明三光栅级联结构的主视图。

图3为本发明超宽带吸收器的主视图。

图4为实施例4中的吸收器的吸收光谱。

图5为本发明实施例1三光栅级联结构中的金属钨块1、二氧化硅介质2和条形金属钨3分别作为吸收器顶层部分产生的吸收光谱。

图6为本发明实施例5中吸收器的吸收光谱。

图7为本发明实施例6中吸收器的吸收光谱。

图8为本发明对比例1中吸收器的吸收光谱。

图9为本发明对比例2中吸收器的吸收光谱。

图10为本发明对比例3中吸收器的吸收光谱。

图11为本发明对比例4中吸收器的吸收光谱。

图中，1、金属钨块；2、二氧化硅介质；3、条形金属钨；4、基底层；5、铬膜层；6、氮化硅层；7、石墨烯层；8、三光栅级联结构层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例结合附图说明，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种如图1、图2所示的三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块1、二氧化硅介质2和条形金属钨3，金属钨块1的宽度为427.352纳米，高度为133.34纳米；二氧化硅介质2宽度为309.137纳米，高度为416.8纳米；条形金属钨3的宽度为235.431纳米，高度为333.34纳米。

实施例2

一种三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨，金属钨块的宽度为453.272纳米，高度为124.86纳米；二氧化硅介质宽度为314.271纳米，高度为415.82纳米；条形金属钨的宽度为232.457纳米，高度为326.91纳米。

实施例3

一种三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨，金属钨块的宽度为481.362纳米，高度为138.74纳米；二氧化硅介质宽度为318.176纳米，高度为446.12纳米；条形金属钨的宽度为284.65纳米，高度为341.71纳米。

实施例4

一种图如3所示的基于实施例1三光栅级联结构的超宽带吸收器，所述吸收器由下至上依次包括：

厚度为0.2毫米的基底层4，

厚度为110纳米的铬膜层5，其形成于基底层表面；和

厚度为383.42纳米的氮化硅层6，其形成于铬膜层上；和

厚度为34纳米的石墨烯层7，其形成于氮化硅层上；和

实施例1中的三光栅级联结构层8，其形成于石墨烯层上。

该实施例中得到的吸收器的吸收光谱如图4所示。从图中可知，该吸收器的吸收光谱范围为0.2-2.58微米，包括部分紫外光波段、全部可见光波段、全部近红外光波段和部分短波红外波段；最高吸收率可达97.4％。

图5为实施例1三光栅级联结构中的金属钨块1、二氧化硅介质2和条形金属钨3分别作为吸收器顶层部分产生的吸收光谱。

实施例5

一种基于实施例2三光栅级联结构的超宽带吸收器，所述吸收器由下至上依次包括：图5

厚度为0.2毫米的基底层，

厚度为105纳米的铬膜层，其形成于基底层表面；和

厚度为365.35纳米的氮化硅层，其形成于铬膜层上；和

厚度为51纳米的石墨烯层，其形成于氮化硅层上；和

实施例2中的三光栅级联结构层，其形成于石墨烯层上。

该实施例中得到的吸收器的吸收光谱如图6所示。从图6中可知，该吸收器的吸收光谱范围为0.2-2.2微米，包括部分紫外光波段、全部可见光波段、全部近红外光波段和部分短波红外波段；最高吸收率可达91.5％。

实施例6

一种基于实施例3三光栅级联结构的超宽带吸收器，所述吸收器由下至上依次包括：

厚度为0.2毫米的基底层，

厚度为115纳米的铬膜层，其形成于基底层表面；和

厚度为365.35纳米的氮化硅层，其形成于铬膜层上；和

厚度为85纳米的石墨烯层，其形成于氮化硅层上；和

实施例3中的三光栅级联结构层，其形成于石墨烯层上。

该实施例中得到的吸收器的吸收光谱如图7所示。从图7中可知，该吸收器的吸收光谱范围为0.2-2.01微米，包括部分紫外光波段、全部可见光波段、全部近红外光波段和部分短波红外波段；最高吸收率可达98.8％。

对比例1

该对比例与实施例4的区别仅在于，该对比例吸收器中的三光栅级联结构层的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度比为3:1.5:1。

该对比例中得到的吸收器的吸收光谱如图8所示。从图8中可知，与实施例4相比该吸收器的吸收率降低，尤其短波近红外波段吸收率明显下降。

对比例2

该对比例与实施例4的区别仅在于，该对比例吸收器中的三光栅级联结构层的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度比为1:1:1。

该对比例中得到的吸收器的吸收光谱如图9所示。从图9中可知，与实施例4相比该吸收器的吸收光谱带宽仅为1.2微米，红外波段吸收率下降明显。

对比例3

该对比例与实施例4的区别仅在于，该对比例吸收器中的三光栅级联结构层的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的高度比为3:5:3。

该对比例中得到的吸收器的吸收光谱如图10所示。从图10中可知，与实施例4相比该吸收器的吸收光谱范围为0.2-2.33微米，但出现1.21-1.96微米波段低吸收率区间。

对比例4

该对比例与实施例4的区别仅在于，该对比例吸收器中的三光栅级联结构层的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的高度比为3:12:10。

该对比例中得到的吸收器的吸收光谱如图11所示。从图10中可知，与实施例4相比该吸收器的吸收光谱范围为0.2-2.39微米，但出现1.47-2.09微米波段低吸收率区间。

综上所述，本发明采用顶层级联三光栅结构在同一单元，通过光栅衍射模、不同材料之间形成的腔共振模和表面等离子体激元共振模等多种模式之间的复合耦合作用实现吸收光谱带宽叠加展宽和吸收率的提升。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。