一种用于红外多波段相干光吸收的超表面的制作方法

本发明涉及一种人工微纳结构和相干光吸收，尤其涉及一种用于红外多波段相干光吸收的超表面。

背景技术：

近年来，人工微结构材料，包括光子晶体，超材料等由于具有自然界中天然材料难以获得的独特电磁特性而引起了人们的广泛关注。超材料是一类人工结构的材料，具有自然界中天然材料难以获得的电磁特性，例如负折射率，逆切伦科夫辐射，人工磁响应，人工电响应等，其独特的电磁性质是由其独特的单元结构获得的，而不仅仅是由其构成的材料而获得的。超材料在远小于工作波长的范围内具有各向异性的性质，但是在工作波长的范围内具有各向同性的性质，电磁响应特性可以通过各向同性的材料参数来表征。超材料已经在光传感、新型波导、微纳天线等领域取得了重要的应用进展。超表面则是一种二维的平面超材料，相比较于三维的超材料，超表面更容易加工和设计，并且有利于微纳光子器件的集成。

相干光完美吸收现象是指两束相向传输的相干态光束同时照射在某种有损材料上，由于相干光的相互作用导致两束光被材料完全吸收。该现象在2010年被physicalreviewletters期刊评选为物理学研究亮点。相干光完美吸收的过程在理论上可以解释为激光的时域相反的过程，因此也被称作反激光。正如同激光一样，相干光完美吸收的波段通常非常窄，只能工作在单一的波长范围，现有技术难以扩展至宽波段或者多波段，从而极大限制了相干光完美吸收的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、易于设计、易于光路集成，且能够同时对多波段的红外光进行相干光完美吸收的超表面结构。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现。

本发明用于红外多波段相干光吸收的超表面，包括一个均匀介质板，所述介质板上、下两层均设置有相同图案的金属镀层，所述金属镀层图案由周期性排列的元胞构成；所述元胞中设有四个方形的金属片；所述超表面设置于均匀背景介质中。

所述介质板上、下两层的金属镀层相同。

所述介质板为高折射率介质。

所述高折射率介质材料为硫化锌或者氟化镁。

所述金属镀层为贵金属。

所述金属镀层材料为金或银。

所述四个正方形金属片的厚度不同。

所述背景介质为低折射率介质；所述低折射率介质材料为空气、真空或者聚四氟乙烯。

所述相干光的吸收通过两束光的相位差来调控，相干光相位差为0°至360°。

所述介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.3μm，金属层厚度为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.55μm，在波长为10.92μm,11.38μm,11.88μm以及12.57μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％；四个波段吸收率为0。

本发明用于多波段相干光完美吸收的超表面，可广泛应用新型多频开关，调制器以及其他集成光电子器件之中。它与现有技术相比，有如下积极效果。

(1)通过设计元胞中的不同正方形金属片的宽度，可以在特定频率进行相干光完美吸收。可以为超表面器件的设计和制造带来更大的方便和灵活性。

(2)采用该结构的超表面，可以同时获得多个相干光完美吸收波段，并且各波段独立工作互不干扰。

(3)本发明通过控制超表面的元胞中不同金属片的个数，从而获得不同数目的工作波段。

(4)超表面结构紧凑，厚度极薄，不到工作波长的1/20，在光路中不同光学元件之间以及不同光路之间易于连接和耦合，有利于光路集成。

(5)相比较于超材料，超表面设计简洁，易于加工制作，降低了制作成本。

附图说明

图1(a)是本发明红外多波段相干光吸收的超表面的结构示意图。

图中：金属镀层厚度(金属层厚度)m介质板厚度d金属片边长l1金属片边长l2金属片边长l3金属片边长l4

图1(b)是两个金属镀层元胞的剖面图。

图1(c)是两个金属镀层元胞的顶视图。

图2(a)是单个金属片的厚度与吸收频谱的关系图。

图2(b)是金属片边长与吸收峰的关系图。

图3是第二种实施四个波段相干光吸收和散射频谱图。

图4(a)为图3中四个波段相干光吸收率和相干光相位差的关系图。

图4(b)为波长12.57μm波段处的变化图。

图5为图3所示四个波段在超材料中的磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描阐述。

如图1(a)、(b)、(c)所示，本发明用于红外多波段相干光吸收的超表面包括一个均匀介质板，介质板为高折射率介质，高折射率介质材料采用硫化锌或者氟化镁；介质板上、下两层均设置有相同图案的金属镀层，该金属镀层的上、下两层完全相同，金属镀层为贵金属，该金属镀层材料采用金或银；金属镀层图案由周期性排列的元胞构成，元胞周期为p，元胞中设有厚度不同的四个方形的金属片；超表面设置于均匀背景介质中，背景介质为低折射率介质，低折射率介质材料采用空气、真空或者聚四氟乙烯。本发明两束相干光分别从超表面两侧垂直入射，相干光相位差为变化范围为0°至360°(图中所示的坐标系)。

本发明金属镀层材料采用银，介质板材料采用硫化锌，其在红外波段折射率为常数2.2，损耗可以忽略不计。背景介质为空气。采用有限元法(finiteelementmethod,fem)计算超表面的前向和后向散射强度以及相干光吸收率。首先对元胞中只含有单一金属片的情况进行计算。如图2(a)所示，相干光相位差为时，介质板厚度m为0.13μm，金属片边长从2μm至2.8μm变化时，吸收波长从10.65μm至14.86μm变化，由图2(b)所示的吸收波长与金属片边长呈线性关系图可以直接通过改变金属片边长控制吸收波长。如图(3)所示，为了在同一超表面实现多波段吸收，在元胞中设置不同厚度的金属片，同时调整介质板厚度d以实现与背景介质阻抗匹配。四个方形金属片边长分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.55μm，在波长为10.92μm,11.38μm,11.88μm以及12.57μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％。

通过调整两束相干光的相位差，四个波段的吸收率可以从几乎100％至0连续调节，并且各波段相互独立不受其他波段影响。如图4(a)所示的四个工作波段处的超表面介质层中的的磁场场分布图，可以看出不同厚度的金属片独立激发磁共振，并且磁共振具有极强的束缚性和局域性，对其他金属片不构成影响。如图4(b)所示，波长12.57μm波段处吸收率按照变化。如图5所示，具体结构中对应的四个波段在超材料中的磁场分布图。其中图(a)中的波长为10.92μm，图(b)中的波长为11.38μm，图(c)中的波长为11.88μm，图(d)中的波长为12.57μm。该图解释了本发明所设计的超表面的工作原理以及验证了各金属片的独立工作特性。

根据以上结果给出如下6个实施例：

实施例1.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.3μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.5μm，时，在波长为10.92μm，11.38μm，11.88μm以及12.41μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％。时，四个波段吸收率为0。

实施例2.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.3μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.55μm，时，在波长为10.92μm，11.38μm，11.88μm以及12.57μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％。时，四个波段吸收率为0。

实施例3.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.3μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.6μm，时，在波长为10.92μm，11.38μm，11.88μm以及12.88μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％。时，四个波段吸收率为0。

实施例4.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.3μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.2μm，l2＝2.3μm，l3＝2.4μm，l4＝2.65μm，时，在波长为10.92μm，11.38μm，11.88μm以及13.1μm处的吸收率分别为95.4％，97.2％，100％，100％。时，四个波段吸收率为0。

实施例5.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.36μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.5μm，l2＝2.6μm，l3＝2.7μm，l4＝2.8μm，时，在波长为12.3μm，12.75μm，13.34μm以及13.76μm处的吸收率分别为93％，96％，97.8％，97.8％。时，四个波段吸收率为0。

实施例6.介质板采用硫化锌，金属镀层采用银，背景介质为空气，介质板厚度为d＝0.36μm，金属层厚度m为60nm。四个金属片厚度分别为l1＝2.5μm，l2＝2.6μm，l3＝2.7μm，l4＝2.85μm，时，在波长为12.3μm，12.75μm,，13.34μm以及13.99μm处的吸收率分别为93％，96％，97.8％，97.8％。时，四个波段吸收率为0。

本发明材料对相干光的吸收可以通过两束光的相对相位来调控，并且吸收率能够从0至100％调节。相干光完美吸收为新型光控开光，调制器等光电子器件提供一种新的机制。

以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。