一种基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器

本发明涉及一种光学装置，具体涉及一种超材料吸收器。

背景技术：

1、超材料是一种由人工设计的亚波长结构材料，其展示了自然材料所不具备的独特物理特性，如负磁导率、负电导率。超材料器件因为其在天线系统、电磁波隐身、光成像、高灵敏度传感等许多应用中表现出的的超凡电磁性能而受到广泛的关注。通过调节超材料结构的几何参数、形状，可灵活的设计其介电常数和磁导率，从而实现对其电磁特性的调控。同时，可积极地利用超材料的能量衰减特性引入能量损失来设计超材料吸收器，目前已实现了对特定频段电磁波的完美吸收。

2、完美吸收器是一种既能消除透射又能消除反射，并能吸收全部入射光的光学装置。其可分为窄带完美吸收和宽带完美吸收。前者可以轻松覆盖可见和红外波段的线性或非线性传感器。而宽带超材料吸收器可以在很大的带宽范围内保持高的光吸收，故其对光电探测器、测辐射、光伏等应用至关重要。

3、2008年，landy等人首次提出了一种电磁超材料完美吸收器，由金属开口环谐振器和金属条组成，可在微波波段的11.65ghz处实现高达99％的单频完美吸收[1]。在此研究基础上，hu等人所制备的超材料吸收器将微波波段扩展至太赫兹波段，在1.3thz左右具有很强的共振，吸收率可达70％[1]。avitzour等人预测了一种基于阻抗匹配的负折射率材料的近红外等离子体吸收器，在1.5μm处的单层吸收率可达90％[2]。然而，上述吸收器虽然具有较高的吸收率，但都存在带宽窄的问题，通常只能在单一谐振波长工作，限制了其应用。

4、近年来，有大量的研究旨在增加超材料完美吸收器的工作带宽。最直接的方法是耦合多种尺寸的金属谐振器，通过用系统中耦合的不同谐振覆盖电磁频谱来实现宽带吸收。虽然可以通过改变结构参数来容易地调节吸收带宽，但是在一个单元中集成多个谐振器大大增加了结构的尺寸。迄今为止，已经报道了许多可以演示宽带完美吸收器的超材料结构，guo等人展示了基于a-si/ag叠层的超薄宽带吸收体，其在可见光400-650nm光谱范围内共振时达到95.5％的吸收峰值[3]。mo等人提出了基于等离子体锥形同轴孔的金吸收体，在300-900nm光谱范围内的平均吸收率可达93％[4]。cui等人提出了一种锯齿型超宽带红外吸收器，在3-5.5μm光谱范围内吸收可达95％[5]。wu等人将铁金属条放置在由金属电介质(md)层支撑的薄sio2层上(金属和电介质分别是铁和二氧化硅)，实现了在400到1500nm的光谱范围内的95％以上的完美吸收[6]。然而，这些方法可能受到相对较窄的吸收带宽、复杂的单元模式或需要重金属等问题的限制。因此研究一种结构简单、低成本的超宽带完美吸收器对太阳能的开发与利用非常有意义。

5、[1]bosquespadilla f j,landy l n,smith w k,et al.perfect metamat-eriala bsorber.,2008.

6、[2]tao h,landy n i,bingham c m,et al.a metamaterial absorber f-or thet erahertz regime:design,fabrication and characterization[j].optics express,2008,

7、16(10):7181-7188.

8、[3]lee k t,ji c,guo l j.wide-angle,polarization-independent ultrat-hin bro adband visible absorbers[j].applied physics letters,2016,108(3):59.

9、[4]mo l,yang l,nadzeyka a,et al.enhanced broadband absorption in goldby plasmonic tapered coaxial holes[j].optics express,2014,22(26):32233.

10、[5]cui y,fung k h,xu j,et al.ultra-broadband light absorption by asawt ooth anisotropic metamaterial slab[j].nano letters,2011,12(3):1443-1447.

11、[6]dong w,chang l,liu y,et al.numerical study of an ultra-broadbandnea r-perfect solar absorber in the visible and near-infrared region[j].optics letters,2

12、017,42(3):450.

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种对角度不敏感的超表面超宽带完美吸收器，实现了从可见光到近红外波段的超宽带超表面完美吸收器，具体结构简单，低成本的特点。

2、技术方案：一种基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，包括：透明衬底，在所述衬底上设有纳米方孔阵列，每个纳米方孔由所述衬底向上高度均为h的五个方形环构成，所述五个方形环的材料依次为氟化镁、硅、铬、砷化镓、铝；每个纳米方孔内嵌入纳米方柱，所述纳米方柱由所述衬底向上高度均为h的四个方形柱构成，所述四个方形柱的材料依次为硅、铬、砷化镓、铝。

3、进一步的，所述纳米方孔的外方边长与阵列周期一致。

4、进一步的，所述纳米方孔阵列的周期p＝214nm，所述纳米方孔的内方边长a＝119nm，h＝107nm。

5、进一步的，所述衬底为二氧化硅衬底。

6、有益效果：本发明在二氧化硅衬底上生长方形纳米柱的金属-电介质吸收器，该吸收器中的金属材料采用低成本的铝(al)和铬(cr)，电介质选用砷化镓(gaas)、硅(si)和氟化镁(mgf2)，实现了从可见光到近红外波段的超宽带超表面完美吸收器。在420nm至3500nm的波段范围内，实现理论值0.922的平均吸收率，在570nm处可实现0.999的完美吸收。该吸收器与传统的吸收器相比，是实现大面积超薄超表面吸收器的有效途径，具有宽频带、高吸收的优点，且其结构相对简单，与当前的纳米加工技术如沉积和光刻兼容，易于制造，成本较低。

7、本发明为提出吸收体的制备提供了可能性，并在太阳能收集、隐身和热发射器领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，其特征在于，包括：透明衬底，在所述衬底上设有纳米方孔阵列，每个纳米方孔由所述衬底向上高度均为h的五个方形环构成，所述五个方形环的材料依次为氟化镁、硅、铬、砷化镓、铝；每个纳米方孔内嵌入纳米方柱，所述纳米方柱由所述衬底向上高度均为h的四个方形柱构成，所述四个方形柱的材料依次为硅、铬、砷化镓、铝。

2.根据权利要求1所述的基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，其特征在于，所述纳米方孔的外方边长与阵列周期一致。

3.根据权利要求1所述的基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，其特征在于，所述纳米方孔阵列的周期p＝214nm，所述纳米方孔的内方边长a＝119nm，h＝107nm。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底。

技术总结
本发明公开了一种基于方孔阵列结构的超表面超宽带完美吸收器，在透明衬底上设有纳米方孔阵列，每个纳米方孔由衬底向上高度均为h的五个方形环构成，材料依次为氟化镁、硅、铬、砷化镓、铝；每个纳米方孔内嵌入纳米方柱，纳米方柱由衬底向上高度均为h的四个方形柱构成，四个方形柱的材料依次为硅、铬、砷化镓、铝。该吸收器中在420nm至3500nm的波段范围内，实现理论值0.922的平均吸收率，在570nm处可实现0.999的完美吸收。该吸收器与传统的吸收器相比，是实现大面积超薄超表面吸收器的有效途径，具有宽频带、高吸收的优点，且其结构相对简单，与当前的纳米加工技术如沉积和光刻兼容，易于制造，成本较低。

技术研发人员：陈海涛,刘霄羽,钱沁宇,王钦华
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15