基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本专利涉及超窄带光谱选择性吸收器，特别是一种基于级联光栅结构的超窄带TE 偏振光谱选择性吸收器。
【背景技术】
[0002] 通常情况下，吸收器分为两种：一种是宽带吸收器，其在一定的带宽范围内均有着 很高的吸收，主要应用于薄膜太阳能电池领域；另一种光谱选择性吸收器，即在较窄的带宽 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。为了实现理想的光谱选择性吸收，已经提出了许多亚波长结构，例如超材料、金属纳米 粒子等等。在这些所提出的结构中，一维金属光栅结构同样可以用来实现增强吸收，并且其 结构简单、设计和制作都更加容易。通过简单优化，其可以在谐振波长处实现近100%的理 想吸收，并且结构紧凑，在很宽的入射角范围内具有很好的光学性能。因此，其作为新型的 吸收器件具有广泛的应用前景。同时，根据基尔KirchhOfT定律，一个结构的热辐射特性可 以由其吸收特性直接推导出来。因而一个有着理想吸收特性的吸收器也可以看成是一个理 想的热辐射器。
[0003] 现有的选择性吸收器通常由三部分组成，顶部为一个亚波长结构，中间为一个电 介质隔离层，底部为一个金属薄膜。但是这些选择性吸收器，不管是基于复杂的超材料结构 还是简单的金属光栅结构，都有着共同的缺陷：空间相干性差、有限的窄带光谱（带宽通常 为百纳米量级，并非足够的窄）。为了减小选择性吸收器的吸收带宽，Y. Gong等人提出将 电介质隔离层和金属薄膜用布拉格光栅取代，即形成金属光栅和布拉格光栅的组合结构， 并基于此结构设计了一个TM偏振的窄带吸收/热辐射器，其具有极窄的吸收带宽（20纳米 左右）和极高的空间相干性【在先技术I :Y. Gong, et al.，Phys. Rev. B 87, 205121 (2013)】。 但是该TM偏振窄带吸收/热辐射器有一个很大的缺陷，其布拉格光栅通常由20对高折射 率电介质层和低折射率电介质层构成，因而其制作复杂，成本较高，不利于实际应用。
[0004] 矩形光栅通常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 等人已给出了严格親合波理论的算法【在先技术2:M.G.Moharam et al.，J.0pt.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】
[0005] 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级联光栅结构的超窄 带TE偏振光谱选择性吸收器，当光垂直入射时，其在中心波长附近一个极窄波段范围内的 入射光将被吸收，随着结构参数的变化，吸收光谱会发生频移，峰值吸收波长会随之发生频 移，但是在各峰值波长处可始终保持近100 %的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于 20纳米。同时对于不同的入射波长，其吸收角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快 速减小，具有很高的空间方向性，类似于天线的特性。因此，该超窄带光谱选择性吸收器具 有重要的实用价值。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种用于红外波段（1800-2200nm)的基于级联光栅结构的超窄带TE偏振光谱选 择性吸收器，该吸收器包括自上而下的金属光栅层和布拉格光栅层，其特征在于在所述的 布拉格光栅层下还有金属薄膜反射层，所述的顶部金属光栅层的周期、占空比和厚度分别 为365~375纳米、0. 48~0. 52和45~55纳米，所述的中间布拉格光栅层由5对以下的 交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板组成，所述的高折射率电介质平板 和低折射率电介质平板的厚度分别为270~290纳米和300~320纳米，所述的底部金属 薄膜反射层的厚度应大于光在红外波段的趋肤深度。
[0008] 所述的顶部金属光栅层的周期、占空比和厚度分别为370纳米、0. 5和50纳米，所 述的中间布拉格光栅层为5对交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板，所 述的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板的厚度分别为280纳米和311纳米，所述 的底部金属薄膜反射层的厚度为200nm。
[0009] 与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
[0010] 1、特别是当吸收器的顶部金属光栅层的周期、占空比和厚度分别为370纳米、0. 5 和50纳米，中间布拉格光栅层为5对交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平 板，高折射率电介质平板和低折射率电介质平板的厚度分别为280纳米和311纳米，底部金 属薄膜反射层的厚度为200nm时：
[0011] 当红外波段的光垂直入射到时，其在中心波长附近一个极窄波段范围内的入射光 将被吸收，峰值吸收率接近100%，半高全宽小于20nm，对于不同的入射波长，其吸收/辐射 角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快速减小，具有很高的空间方向性，类似于天 线的特性。
[0012] 2、本发明具有使用灵活方便、峰值吸收率高，吸收的半高全宽很小和空间相关性 较好等优点，是一种非常理想的光谱选择性吸收器件，利用光学全息记录技术或电子束直 写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，制作后的吸收器件性能稳定、可 靠，具有重要的实用前景。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的用于红外波段的基于级联光栅结构的TE偏振光谱选择性吸收器 的几何结构。
[0014] 图中，1代表区域1 (折射率为Ii1)，2代表金属光栅层，3代表布拉格光栅层，由 N(N< 5)对交错排列的高折射率电介质平板（折射率为nh)和低折射率层电介质平板（折 射率为ηι)组成，n h〈ni，4代表金属光栅反射层，材料与顶部金属光栅层一样。TE偏振光（电 场方向沿着y轴）从区域1入射该器件。d为金属光栅周期，f为金属光栅占空比，h为金 属光栅厚度，匕和h b分别为布拉格光栅的高折射率层和低折射率层的厚度，底部金属薄膜 的厚度取为200nm。
[0015] 图2是本发明要求范围内一个实施例的TE偏振光垂直入射时器件吸收率随波长 变化的曲线。
[0016] 图3是图2中实施例的三个离散波长入射时的吸收率随入射角的变化曲线。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0018] 先请参阅图1，图1是本发明的用于红外波段的基于级联光栅结构的超窄带TE偏 振光谱选择性吸收器的几何结构。图中，区域1是均匀的，为空气（折射率11 1=1)。TE偏 振光以一定角度Θ入射到该器件，TE偏振光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，即 y轴。
[0019] 由图可见，本发明用于红外波段的基于级联光栅结构的超窄带TE偏振光谱选择 性吸收器，其包括自上而下的金属光栅层2,布拉格光栅层3,以及金属薄膜反射层4,顶部 金属光栅层的周期、占空比和厚度分别为365~375纳米、0. 48~0. 52、45~55纳米，中间 布拉格光栅层由N(N< 5)对交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板组成， 其厚度分别为270~290纳米、300~320纳米，底部金属薄膜反射层的厚度应大于光在红 外波段的趋肤深度。
[0020] 在如图1所示的几何结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术2】计算了 该超窄带TE偏振光谱选择性吸收器在红外波段范围内的吸收效率。我们利用严格耦合 波理论【在先技术2】和模拟退火法则【在先技术3 :W. Goffe et al.，J. Econometrics 60, 65-99 (1994)】进行优化，从而得到这种超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的结构参数。
[0021] 下面给出本发明的一个具体实施例，此时顶部金属光栅与底部金属反射层的材料 为金（Au)，它的介电常数由Drude模型描述：
【主权项】
1. 一种用于红外波段（1800-2200nm)的基于级联光栅结构的超窄带TE偏振光谱选择 性吸收器，该吸收器包括自上而下的金属光栅层（2)和布拉格光栅层（3)，其特征在于在所 述的布拉格光栅层（3)下还有金属薄膜反射层（4)，所述的顶部金属光栅层的周期、占空比 和厚度分别为365~375纳米、0. 48~0. 52和45~55纳米，所述的中间布拉格光栅层由 5对以下的交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板组成，所述的高折射率 电介质平板和低折射率电介质平板的厚度分别为270~290纳米和300~320纳米，所述 的底部金属薄膜反射层的厚度应大于光在红外波段的趋肤深度。
2. 根据权利要求1所述的基于级联光栅结构的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特 征在于所述的顶部金属光栅层的周期、占空比和厚度分别为370纳米、0. 5和50纳米，所述 的中间布拉格光栅层为5对交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板，所述 的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板的厚度分别为280纳米和311纳米，所述的 底部金属薄膜反射层的厚度为200nm。
【专利摘要】一种基于级联光栅结构的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，包括自上而下的金属光栅层和布拉格光栅层，在所述的布拉格光栅层下还有金属薄膜反射层，所述的顶部金属光栅层的周期、占空比和厚度分别为365～375纳米、0.48～0.52和45～55纳米，所述的中间布拉格光栅层由5对以下的交错排列的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板组成，所述的高折射率电介质平板和低折射率电介质平板的厚度分别为270～290纳米和300～320纳米，所述的底部金属薄膜反射层的厚度应大于光在红外波段的趋肤深度。本发明可由电子束直写装置结合微电子工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
【IPC分类】G02B5-00
【公开号】CN104777532
【申请号】CN201510155833
【发明人】吴俊 , 周常河
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日