本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于增强高阶共振模吸收率的多带超材料吸收体设计方法。
背景技术
超材料拥有着自然界中没有的特殊性质，这种特殊性质通常可以通过改变纳米结构而不是化学成分来操纵。超材料完美吸收体作为一种新型的超材料，由于其在某些光谱范围能够达到超过90％的吸收率，故近些年在热辐射体，生物传感，微型辐射热流计和红外探测方面的应用引起了很大的关注。通常研究的超材料吸收体的结构都是金属-电介质-金属的三层三明治结构。底部是金属薄膜，中间层是电介质薄膜，顶部是周期性金属振子。入射的电磁波能够引起周期性金属振子中电子的集体震荡，也就是激发出表面等离子共振模式。然而，基于三明治结构中的等离子共振的超材料吸收体，一个振子通常只能有一个吸收带，这个吸收带来自于基模。单带问题极大的限制了超材料吸收体的应用。
为了解决单带问题，人们一般将不同尺寸大小的振子结合在一起，每一个尺寸的振子都可以形成一个吸收带，这样通过振子组合的方式得到多带。这种振子组合的方法只是利用了基模，所以当吸收带数多时，相对应的周期单元结构会非常复杂。实际上，除了基模外，振子也是能够激发出高阶共振模式的，只是高阶共振模式的吸收率非常低，所以振子组合的方法不能够利用高阶模。
技术实现要素：
针对上述问题，现提供一种旨在提高高阶等离子激元共振模式吸收率来设计多带吸收体的基于增强高阶共振模吸收率的多带超材料吸收体设计方法。
一种基于增强高阶共振模吸收率的多带超材料吸收体设计方法，所述超材料吸收体顶层包括一周期性微结构，所述周期性微结构至少由一对基本结构单元组成；
缩小所述超材料吸收体顶层的周期性微结构中至少一对基本结构单元的间距。
优选的，经缩小后至少一对基本结构单元的间距在5nm至80nm之间。
优选的，所述超材料吸收体包括：
金属基底层，电介质薄膜沉积于所述金属基底层上电介质薄膜，所述周期性微结构刻蚀于所述电介质薄膜表面。
优选的，所述周期性微结构由一对基本结构单元组成。
优选的，所述一对基本结构单元包括一矩形环和一圆环，所述圆环位于所述矩形环内，所述圆环中心与所述矩形环中心重合。
优选的，所述金属基底层采用银膜层，所述电介质薄膜采用硫化锌薄膜，所述周期性微结构采用银材质制成，或
所述金属基底层采用铝膜层，所述电介质薄膜采用硫化锌薄膜，所述周期性微结构采用铝材质制成。
优选的，矩形环为正方环；
所述金属基底层高度为200nm；
所述电介质薄膜高度为80nm，长为1000nm，宽为1000nm；
基本结构单元圆环高为200nm，内径为250nm，外径为460nm；
正方环高为200nm，内径为600nm，外径为740nm；
圆环与正方环间距为70nm。
优选的，矩形环为正方环；
所述金属基底层高度为200nm；
所述电介质薄膜高度为80nm，长为1000nm，宽为1000nm；
基本结构单元圆环高为200nm，内径为250nm，外径为460nm；
正方环高为200nm，内径为560nm，外径为700nm；
圆环与正方环间距为50nm。
优选的，矩形环为正方环；
所述金属基底层高度为200nm；
所述电介质薄膜高度为80nm，长为1000nm，宽为1000nm；
基本结构单元圆环高为200nm，内径为250nm，外径为460nm；
正方环高为200nm，内径为520nm，外径为660nm；
圆环与正方环间距为30nm。
优选的，矩形环为正方环；
所述金属基底层高度为200nm；
所述电介质薄膜高度为80nm，长为1000nm，宽为1000nm；
基本结构单元圆环高为200nm，内径为250nm，外径为460nm；
正方环高为200nm，内径为480nm，外径为620nm；
圆环与正方环间距为10nm。
上述技术方案的有益效果：
本技术方案中，通过缩小至少一对基本结构单元的间距形成近场耦合从而达到提高该基本结构单元的高阶等离子激元共振模式的吸收率的目的。
附图说明
图1是本发明所述超材料吸收体的一种实施例的立体图；
图2是所述超材料吸收体的俯视图；
图3是本发明中当缩小圆环和正方环间距时，第一种实施例的高阶等离子激元共振模式吸收率增强的示意图；
图4(a-d)是本发明中当缩小圆环和正方环间距时，第一种实施例的高阶等离子激元共振模式的电场强度分布图；
图5为第一种实施例的高阶等离子激元共振模式的吸收率的曲线图；
图6是本发明中当缩小圆环和正方环间距时，第二种实施例的高阶等离子激元共振模式吸收率增强的示意图；
图7(a-d)时本发明中当缩小圆环和正方环间距时，第二种实施例的高阶等离子激元共振模式的电场强度分布图；
图8为第二种实施例的高阶等离子激元共振模式的吸收率的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1-2所示，一种基于增强高阶共振模吸收率的多带超材料吸收体设计方法，所述超材料吸收体顶层包括一周期性微结构，所述周期性微结构至少由一对基本结构单元组成；
缩小所述超材料吸收体顶层的周期性微结构中至少一对基本结构单元的间距。
进一步地，经缩小后至少一对基本结构单元的间距在5nm至80nm之间。基本结构单元即为金属振子。
在本实施例中，通过缩小至少一对基本结构单元的间距形成强烈的近场耦合从而达到提高该基本结构单元的高阶等离子激元共振模式的吸收率的目的。每一基本结构单元对应一基膜吸收带，当缩小成对基本结构单元间的距离时，在基本结构单元之间会形成强烈的近场耦合，可以增强高阶等离子激元共振模式的吸收率，形成一个额外的高阶吸收带。高阶吸收带和基模吸收带共同构成多带超材料完美吸收体。
优选的，所述超材料吸收体包括：
金属基底层，电介质薄膜沉积于所述金属基底层上电介质薄膜，所述周期性微结构刻蚀于所述电介质薄膜表面。
优选的，所述周期性微结构由一对基本结构单元组成。
作为第一种实施例，所述一对基本结构单元可以是但不限于一矩形环和一圆环，当基本结构单元包括一矩形环和一圆环时，所述圆环位于所述矩形环内，所述圆环中心与所述矩形环中心重合。
进一步地，所述金属基底层采用银(ag)膜层，所述电介质薄膜采用硫化锌(zns)薄膜，所述周期性微结构采用银(ag)材质制成。
情况1：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为600nm，外径l4为740nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝70nm。
情况2：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为560nm，外径l4为700nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝50nm。
情况3：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为520nm，外径l4为660nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝30nm。
情况4：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环t1高为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为480nm，外径l4为620nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝10nm。
基于上述的情况1-4，也就是当圆环与正方环间距d从70nm缩小为50nm，30nm，10nm时，超材料吸收体的光谱吸收率如图3所示，吸收峰f3的电场z方向的分布如图4(a-d)所示。吸收峰f1对应于正方的环基本等离子激元共振模式,f2对应于圆环的基本等离子激元共振模式，也就是基模。吸收峰f3对应于正方环的高阶等离子激元共振模式，也就是高阶模。当缩短正方环和圆环的距离时，在正方环和圆环之间形成强烈的近场耦合作用，导致高阶等离子激元共振模式的z方向的电场强度的最大值从5.6增加到10，16，21，而高阶等离子激元共振模式的吸收率也从17.6％增加到37.4％，67.7％，95.3％。
综上所述，如图5所示，当方环振子和圆环振子的间距从110nm缩小到80nm时，高阶模式的吸收率刚开始基本没有变化，当方环振子和圆环振子的间距从80nm缩小到5nm时，吸收率随着间距的缩小急剧增加。在本实施例中，利用了振子进场耦合的方法，可将高阶等离子激元共振模式的吸收率从17.6％增加到了95.3％，实现了利用两个振子产生的三个吸收带的目的。
结合图1-图2所示，作为第二种实施例，所述金属基底层可采用铝(al)膜层，所述电介质薄膜采用硫化锌(zns)薄膜，所述周期性微结构采用铝(al)材质制成。
情况1：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为600nm，外径l4为740nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝70nm。
情况2：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为560nm，外径l4为700nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝50nm。
情况3：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环高t1为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为520nm，外径l4为660nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝30nm。
情况4：矩形环为正方环；
金属基底层高度t3为200nm；
电介质薄膜高度t2为80nm，所述电介质薄膜的长p为1000nm，宽p为1000nm；
基本结构单元圆环t1高为200nm，内径l1为250nm，外径l2为460nm；
正方环高为200nm，内径l3为480nm，外径l4为620nm，宽度w＝(l4-l3)/2＝70nm；
圆环与正方环间距d为(l3–l2)/2＝10nm。
对于上述情况1-4，也就是当圆环与正方环间距d从70nm缩小为50nm，30nm，10nm时，超材料吸收体的光谱吸收率如图6所示，吸收峰f3的电场z方向的分布如图7(a-d)所示。吸收峰f1和f2分别对应于正方环和圆环的基本等离子激元共振模式，也就是基模。吸收峰f3对应于正方环的高阶等离子激元共振模式。当缩短正方环和圆环的距离时，在正方环和圆环之间形成强烈的近场耦合作用，导致高阶等离子激元共振模式的z方向的电场强度的最大值从3.3增加到6.5，10.3至14.3，而高阶等离子激元共振模式的吸收率也成功的从14％增加到33％，60％至89％。所以本实施例中，利用了振子进场耦合的方法，成功的将高阶等离子激元共振模式的吸收率从14％增加到了89％，成功的利用两个振子实现的三个吸收带。
如图8所示，当方环振子和圆环振子的间距从110nm缩小到80nm时，高阶模式的吸收率刚开始基本没有变化，当方环振子和圆环振子的间距从80nm缩小到5nm时，吸收率随着间距的缩小急剧增加。
进一步地，作为举例而非限定，电介质薄膜可以是但不限于二氧化硅(sio2)、硅(si)、三氧化二铝(al2o3)、硫化锌(zns)等。
金属基底层可以是但不限于金、银、铝、铜等。
周期性微结构可以是但不限于金、银、铝、铜等。
顶层周期性微结构中成对的金属振子可以是但不限于同心的正方环和圆环。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。