一种可见光和近红外波段的吸波器的制作方法

本发明属于光学技术领域，涉及一种可见光和近红外波段的吸波器。

背景技术：

近完美吸波器因其在可见光和红外光波段的接近100%的吸波能力，被学者们认为在光电器件中有着巨大的应用前景。近完美吸波器是一种通过特定材料或者结构将某单一波长或者多个波长的所有能量全部吸收并转换为热能或其他形式能量的器件。目前，典型的超薄吸波器件结构为三明治型：其顶层为周期性金属图案化阵列，中间是一层透明的介质材料，底层是不透明的金属平板结构；这类吸波器结构的原理是利用最上层图案化的金属和最下层的平板金属在特定波长实现电共振和磁共振，从而实现了在特定波长下折射率等于空气的人造表面，消除了反射；另一方面光无法透过最下面的金属，透射也为零；因此实现了在特定波长的完美吸收。完美吸收的特定波长可以通过最上层图案的大小、形状和中间介电材料层的厚度来实现可调。当对应的吸收波长在可见光或者近红外波段时，对应最上层的图案特征尺寸大概在亚波长范围（几十个纳米左右）。

这类基于表面等离子体激元效应的超材料给人类在纳米尺度上操纵光与物质相互作用提供了可能；其独特的光学特性是由纳米结构诱导并通过光学共振而出现，因此光谱响应依赖于金属的尺寸、形状和周期性，以及电介质纳米结构。近年来，基于等离子体激元的超材料或超表面在电场局域效应、折射率设计、相位和振幅控制等等得到了人们的广泛关注。实际上，超材料既可以单独作为吸波材料使用，也可以与传统吸波材料复合使用；对于传统的吸波材料来说，超材料吸波体具有厚度薄、质量轻、吸收强、频带可调等诸多优势。它在生物和化学传感器、光电探测器、太阳能电池以及表面增强拉曼散射增强等各个领域发挥着至关重要的作用。人们在理论上和实验上进行了广泛研究，通过改变结构的形状、尺寸、材料以及其介电环境来实现其在可见和近红外吸收特性；通常在最上层金属采用的结构包括：金属光栅、纳米颗粒、纳米孔阵列和纳米立方体的阵列。但是，这些吸收体基于等离子体激元纳米结构通常涉及昂贵的、耗时高且高分辨率的纳米制造工艺，例如电子束光刻和聚焦离子束，而这些制造工艺限制了对此类吸收体在工业上实现大批量生产和大面积应用的可能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可见光和近红外波段的吸波器，以实现其结构简单化，利于批量生产和适合更多应用场景。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可见光和近红外波段的吸波器，包括介质层和第二金属层，所述介质层叠设于第二金属层上；所述介质层的厚度，其中λ表示吸收波的波长，n2表示介质层的折射率。

进一步的，所述介质层为低损耗红外介质材料。

进一步的，所述介质层包括非晶硅、二氧化硅、氟化钙中的一种材质。

进一步的，所述第二金属层包括金、银、铜、铜锌合金、铁锌合金、铜镍合金中的一种材质。

进一步的，所述第二金属层的厚度大于第二金属层所选材料对吸收光的趋肤深度。

进一步的，所述可见光和近红外波段的吸波器还包括第一金属层，所述第一金属层设于介质层远离第二金属层的一侧。

进一步的，所述第一金属层的厚度为10nm-30nm。

进一步的，所述第一金属层包括金、银、铜、铜锌合金、铁锌合金、铜镍合金中的一种材质。

本发明的有益效果：

本发明采用两层或三层平板结构，实现第一金属层无图案化结构，同样可实现可见光和近红外波段的近完美吸收；本发明的三层平板结构可通过镀膜的方式实现，从而使制作工艺简便化，有利于可见光和近红外波段吸波器的产业化。

附图说明

附图1是可见光和近红外波段的吸波器的结构剖面示意图；

附图2是实验中金属层选用不同材料是的波吸收率测试结果图；

附图3是实验中te偏振方向下不同入射角度的吸收率测试结果图；

附图4是实验中tm偏振方向下不同入射角度的吸收率测试结果图。

图中标识：1-第一金属层、2-介质层、3-第二金属层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考附图1所示，实施例中提供了一种可见光和近红外波段的吸波器，包括第一金属层1、介质层2和第二金属层3，所述介质层2位于第一金属层1和第二金属层3之间。

在一些实施例中，所述第一金属层1可选用但不限于金、银、铜、铝、铁、铂等金属材料中的一种；所述第一金属层1的厚度d1可为但不限于10nm、15nm、18nm、20nm、30nm中的任一厚度值。当然在一些实施例中，所述第一金属层1的厚度还可以是10nm-30nm中的其他厚度值。

在一些实施例中，所述第一金属层1还可选用但不限于铜锌合金、铁锌合金、铜镍合金等合金材料。

在一些实施例中，所述第二金属层3可选用但不限于金、银、铜、铝、铁、铂等金属材料中的一种。

在一些实施例中，所述第二金属层3还可选用但不限于铜锌合金、铁锌合金、铜镍合金等合金材料。

在一些实施例中，所述第二金属材料层3和第一金属材料层1可选用相同的金属材料。

在一些实施例中，所述第二金属材料层3和第一金属材料层1可选用不同的金属材料。

实施例中，所述第二金属层3的厚度d3取决于其材料的选取和吸收光的频率，只需第二金属层3的厚度d3大于选用的相应材料对吸收光的趋肤深度就可以；例如，当第二金属层3选用银，需要吸收光的频率为4*10¹⁴hz，则第二金属层3的厚度需要大于32nm；当第二金属层3选用铝，需要吸收光的频率4*10¹⁴hz，则第二金属层3的厚度需要大于42nm。

在一些实施例中，所述介质层2可选用但不限于非晶硅、锗、二氧化硅、氟化钙、氧化铝等中的任意一种低损耗红外介质材料。实施例中，所述介质层3的厚度可通过计算得出，其中λ表示吸收波的波长，n2表示介质层2的折射率。

本发明的吸波器的结构是通过法布里-波罗干涉共振远离实现近完美的吸收，即两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物固定，且两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。

在一些实施例中，本发明的吸波器可通过电子束蒸镀、磁控溅射、cvd等镀膜方式在基底上生成；所述基底可选用硅片、玻璃片等材料。

在另外一些实施例中，所述吸波器包括介质层2和第二金属层3两层结构；所述介质层2可选用但不限于高掺杂硅、二氧化钒等材料；所述第二金属层3可选用但不限于金、银、铜等金属材料以及铜锌合金、铁锌合金、铜镍合金等合金材料。

在另外一些实施例中，所述三层结构吸波器的第一金属层1还可由纳米材料层代替，所述纳米材料可选用10-100nm为半径的纳米球，纳米棒或者纳米纤维等等

在具体实验中，所述介质层2选用氧化铝材料，所述氧化铝的折射率为1.76；所述第一金属层1的厚度为20nm，所述介质层2的厚度为250nm，所述第二金属层3的厚度为200nm；通过实验可以看出，吸波器的第一吸收峰位置在1200nm附近，第二吸收峰在600nm附近，第三吸收峰在400nm附近。实验中，所述第一金属层1和第二金属层3选用相同材料；参考附图2所示，为实验中金属层分别选用金、银、铜材料时电磁波垂直入射到吸波器表面的吸收频率测试结果图；从图中可以看出，在一些波段吸收率达到99%以上。在实际生产中，可以根据需要吸收波段的波长，来选取合适的材料，并进一步确定吸波器各层结构的厚度。

参考附图3和图4所示，分别是te偏振方向下和tm偏振方向下的不同入射角度的吸收率测试结果图，图中插图为波长1142nm处的吸收强度随入射角度变化而变化的曲线图。实验中，第一金属层1选用金属银材料，所述第二金属层3选用金属银材料，所述介质层2选用氧化铝材料；所述第一金属层1的厚度为20nm，第二金属层3的厚度为100nm，所述介质层2的厚度为200nm。从图中可以看出电磁波以很大的入射角入射时，该吸波器仍能达到较高的吸收率。

以上所述的实施例，只是本发明的较优选的具体方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。