近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料。

背景技术：

宽带光学反射器是一种重要的光学元件，在通信设备、激光器、光探测器、低损耗反射镜、近红外(nir)区域的传感和成像等众多领域都有广泛的应用。目前在这些应用中，高反射率、宽波长范围和尺寸紧凑的反射器是更为需要的。传统反射器由金属薄膜组成，然而其本征损耗对反射率影响较大。另一种常见的反射器是分布式布拉格镜，其使用的介质材料损耗低，保证了反射与透射之间的相互转换。但它们通常需要很厚的介质层(通常是几十层)来获得完美的反射带，这将带来很大的加工困难。此外，由于层状材料折射率变化范围的限制，这类反射器的带宽相对较小。

近几年来，全介质超材料由于其独特的电磁特性，引起了光学界的广泛关注，并且它们能够通过具有紧凑尺寸的特定人工微观结构实现宽带完美反射。由于特定的电磁模式和低的本征损耗，相比于金属反射器，全介质超材料能够提供更高反射的可能性。迄今为止，许多学者已经提出各种不同的在近红外光区域的宽带反射全介质超材料，然而它们工作带宽仍然在相对较小的范围内，通常是几百纳米的工作波长。因此，设计更宽带宽、低损耗且成本低的全介质超材料仍然是亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的部分技术问题，而提供了一种近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料，结构基于四分之一波长叠层设计和导模共振原理，将相邻波段的光栅反射器与四分之一波长多叠层反射器通过连接层巧妙地连接，通过对连接层厚度的调节，可获得覆盖近红外光区域的超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料。

本发明实施例是这样实现的，近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料，所述超材料包括：

基底层、下层四分之一波长多叠层、中间连接层、上层介质光栅；

所述基底层、所述下层四分之一波长多叠层和所述中间连接层为自下而上复合形成；

所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间连接层上。

优选的，所述下层四分之一波长多叠层、所述中间连接层、所述上层介质光栅构成超材料单元结构；其中，所述基底层为二氧化硅，所述下层四分之一波长多叠层由氟化镁与硅交替组成，所述中间连接层为二氧化硅，所述上层介质光栅为硅。

优选的，在近红外光波段范围内，所述二氧化硅的折射率为1.465，氟化镁的折射率为1.42，所述硅的折射率为3.53。

优选的，所述超材料单元结构由以下参数定义：所述基底层的厚度t1，所述下层四分之一波长多叠层，其中氟化镁的厚度t2，硅的厚度t3，所述中间连接层的厚度t4，所述上层介质光栅的亚层厚度d1，所述上层介质光栅的深度d2，所述上层介质光栅的周期p，所述上层介质光栅的占空比f。

优选的，所述基底层的厚度t1为230nm，所述下层四分之一波长多叠层，其中氟化镁的厚度t2为225.4nm，硅的厚度t3为90.65nm，所述上层介质光栅的亚层厚度d1为354nm，所述上层介质光栅的深度d2为576nm，所述上层介质光栅的周期p为858nm，所述上层介质光栅的占空比f为0.6。

优选的，所述中间连接层的厚度t4的范围为10～300nm。其中，所述中间连接层的厚度t4的范围在101nm-109nm时，可实现超宽带反射；所述中间连接层的厚度t4的范围在64nm-73nm时，可实现隧穿透射。

本发明具有以下有益效果：基底层、下层四分之一波长多叠层、中间连接层、上层介质光栅；所述基底层、所述下层四分之一波长多叠层和所述中间连接层为自下而上复合形成；所述上层介质光栅呈周期性均匀分布在所述中间连接层上。本发明基于四分之一波长叠层设计和导模共振原理，将相邻波段的光栅反射器与四分之一波长多叠层反射器通过连接层巧妙地连接，在横磁波的正常入射下，可实现反射率99％以上、高达1237nm的极宽波长范围的完美反射。将连接层调节至合适的厚度，可以实现反射带中半高宽仅为3.79nm的超窄带隧穿透射。本发明的全介质超材料具有反射率高、带宽极宽、无损耗、制备成本低等优点，在光学器件和系统中具备广泛应用的潜力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的全介质超材料在不同连接层厚度下的反射率；

图3为本发明实施例提供的全介质超材料在连接层厚度为69nm处的反射率曲线图；

图4为本发明实施例提供的全介质超材料的连接层厚度为69nm时，在隧穿波长下的归一化磁场强度分布图；

图5为本发明实施例提供的全介质超材料在连接层厚度为104nm处的反射率曲线图；

图6为本发明实施例提供的全介质超材料的连接层厚度为104nm时，在不同波长下的归一化磁场强度分布图；

图中：基底层1、高折射率介质硅2、低折射率介质氟化镁3、中间连接层4、上层介质光栅5。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。

如图1、图2所示，近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料，所述全介质超材料包括：

基底层1、下层四分之一波长多叠层、中间连接层4、上层介质光栅5；

所述基底层1、所述下层四分之一波长多叠层和所述中间连接层4为自下而上复合固定分层形成；

所述上层介质光栅5呈周期性均匀分布在所述中间连接层4上方；

所述下层四分之一波长多叠层由下层四分之一波长多叠层由高折射率介质硅2和低折射率介质氟化镁3互相穿插平行设置。

进一步地，所述基底层1、下层四分之一波长多叠层、中间连接层4、上层介质光栅5构成超材料单元结构；其中，所述基底层1的材料为二氧化硅，所述中间连接层4的材料为二氧化硅，所述上层介质光栅5的材料为硅，所述高折射率介质硅2的材料为硅，所述低折射率介质氟化镁3的材料为氟化镁。

进一步地，在近红外光波段范围内，所述二氧化硅的折射率为1.465，所述氟化镁的折射率为1.42，所述硅的折射率为3.53。

进一步地，所述超材料单元结构由以下参数定义：所述基底层1的厚度为t1；所述下层四分之一波长多叠层中氟化镁的厚度为t2，硅的厚度为t3，所述中间连接层4的厚度为t4，所述上层介质光栅5的亚层厚度为d1，所述上层介质光栅5的深度为d2，所述上层介质光栅5的周期为p，所述上层介质光栅5的占空比为f。

进一步地，厚度t1为230nm，厚度t2为225.4nm，厚度t3为90.65nm，厚度t4的范围为10～300nm，深度d1为354nm，深度d2为576nm，周期p为858nm，占空比f为0.6。

本发明将相邻波段的光栅反射器与四分之一波长多叠层反射器通过中间层巧妙地连接，可实现反射率99％以上、高达1237nm的极宽波长范围的完美反射。通过将连接层调节至合适的厚度，可以实现反射带中半高宽仅为3.79nm的超窄带隧穿透射。本发明的全介质超材料具有反射率高、带宽极宽、无损耗、制备成本低等优点，在光学器件和系统中具备广泛应用的潜力。

实施例一

作为本发明的一个实施例，上述中间连接层4的厚度t4的范围为64nm-73nm。

作为本发明的一个优选实施例，上述中间连接层4的厚度t4为69nm。

在本发明实施例中，参见图3得，反射率在1720.64nm波长处下降到0.3％，半高宽极小(仅3.79nm)，意味着光几乎完全透射出去，这种超宽反射带中的光隧穿效应将在光学工程领域有着广泛的应用。调整连接层的厚度将会改变四分之一波长多叠层和亚波长光栅的环境折射率，而这将影响短波长反射带右侧边缘和长波长反射带左侧边缘的相对位置，因此隧穿位置可以通过改变超材料结构的连接层厚度t4进行偏移。

参阅图4可知，波长为1720.64nm的光波发生隧穿，垂直透过超材料传播，归一化磁场分布图显示亚波长光栅或四分之一波长多叠层都不起反射作用。

实施例二

作为本发明的一个实施例，上述中间连接层4的厚度t4的范围为101nm-109nm。

作为本发明的一个优选实施例，上述中间连接层4的厚度t4为104nm。

在本发明实施例中，参见图5得，全介质超材料实现了在966nm到2203nm波长范围内，反射率大于99％的超宽完美反射带。

参阅图6可知，2130nm和1830nm两个长波长处的磁场分布非常相似，大部分磁场被局限在si光栅及其均匀亚层中，这种场分布是典型的导模共振，由于反向传播泄漏模式之间的干扰，它们显示出驻波分布。共振泄露模由si光栅及其亚层激发，它们支持在宽的长波长范围中实现宽带完美反射。1530nm和1230nm两个短波长处的磁场分布显示，虽然由于米氏共振，磁场可以被局域在每个光栅中，但均匀亚层中的场分布表明在短波长范围内导模共振不存在，而四分之一波长多叠层内的多次反射将抑制光的垂直传播，使得在短波长范围内产生宽带完美反射。

在本发明实施例中，上述计算宽带反射的方式为通过模拟仿真实验对其进行计算，其具体计算方式对本发明功能实现无影响，故在此不进行赘述。

与现有技术相比，本发明提供了近红外超宽带完美反射与隧穿透射的全介质超材料，具备以下有益效果：与传统的全介质超材料或亚波长光栅结构相比，显著增强了近红外波段范围内的反射带宽；通过超材料结构几何参数的调控，可以实现光隧穿效应；具有无损耗、反射率高、成本较低的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。