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基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器

阅读：624发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：它呈五层结构，包括自下而上依次设置的硅衬底、用于增大入射电磁波的吸收率的金膜、用于增大入射电磁波的吸收率的二氧化硅缓冲层、用于增大整体的机械强度和增强电磁场相互作用以增大入射电磁波的吸收率的石墨烯层、用于减少入射电磁波的反射且能够产生宽带共振吸收作用的哑铃型光栅，哑铃型光栅水平设置于石墨烯层的上表面上；优点是其制作简单，吸收带宽较宽，吸收率较高。，下面是基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：它呈五层结构，包括自下而上依次设置的硅衬底、用于增大入射电磁波的吸收率的金膜、用于增大入射电磁波的吸收率的二氧化硅缓冲层、用于增大整体的机械强度和增强电磁场相互作用以增大入射电磁波的吸收率的石墨烯层、用于减少入射电磁波的反射且能够产生宽带共振吸收作用的哑铃型光栅，所述的哑铃型光栅水平设置于所述的石墨烯层的上表面上。
2.根据权利要求1所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的硅衬底的厚度为0.8～1.2毫米。
3.根据权利要求2所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的金膜的厚度为80～120纳米。
4.根据权利要求1所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的金膜通过磁控溅射微纳加工技术加工于所述的硅衬底的上表面上。
5.根据权利要求3所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的二氧化硅缓冲层的厚度为170～220纳米。
6.根据权利要求5所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的哑铃型光栅由多个哑铃型结构平行排列构成。
7.根据权利要求6所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的哑铃型结构的中间部分的函数表达式为标准的二次曲线ax2+c，其中，a和c均为常数，a的取值范围为0.15～0.3微米-1，c的取值范围为0.06～0.09微米，x表示X方向的自变量。
8.根据权利要求7所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的哑铃型光栅的周期为0.89～0.93微米，所述的哑铃型结构的厚度为0.01～0.3微米，所述的哑铃型结构的两端部分的宽度为0.5～0.6微米。
9.根据权利要求6所述的基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：所述的哑铃型光栅的制作材料选用磷化铟，磷化铟在1.6微米附近的折射率为3.16。

说明书全文

基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种吸收器，尤其是涉及一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器。

背景技术

[0002] 2008年Landy等人采用与自由空间阻抗相匹配法来减小反射，使得吸收最大化，研制出了第一个高效电磁材料完美吸收器(Perfect Metamaterial Absorber，PMA)。电磁吸收器能够对电磁波进行强烈吸收，通过设计恰当的结构和选择合适的材料，电磁吸收器能够对入射的特定频带内的电磁波实现强烈的吸收。电磁吸收器在电磁隐身、热辐射、薄膜太阳能电池、传感器和探测等方面有着非常广泛的应用前景，已成为研究的热点。随着对电磁吸收器研究的不断深入，在可见光、红外和太赫兹波段，均取得了长足的进展。

[0003] 按照吸收频段划分，电磁吸收器有微波吸收器、太赫兹吸收器、红外吸收器和可见光吸收器。在红外波段，Cui等人(Cui Y X,Xu J,Jin Y,et al.A thin film broadband absorber based on multi-sized nanoantennas.Applied Physics Letters，2011，99(25):253101.(崔艳霞，徐军，金逸等。基于多尺寸纳米天线的薄膜宽带吸收器。应用物理快报，2011，99(25):253101。))采用不同尺寸的纳米条阵列构建了一种红外宽带吸收器，其在8.5～11μm波段获得了高达80％的吸收率。Xue等人(Xue W R，Chen X，Peng Y L，et al.Grating-type mid-infrared light absorber based on silicon carbide material.Optics Express，2016，24(20):22596-22605.(薛文瑞，陈曦，彭艳玲等。基于碳化硅材料的光栅型中红外光吸收器。光学快报，2016，24(20):22596-22605。))采用半导体材料SiC和电介质材料设计了一种截断的金字塔型光栅光吸收器，其在10.5～12.5μm波段也获得了80％以上的吸收率。Peng等人(Peng H，Luo Y，Ying X X，et al.Broadband and highly absorbing multilayer structure in mid-infrared.Applied Optics，2016，55(31):8833-8838.(彭昊，罗毅，应向晓等。多层膜结构中红外宽带吸收器。应用光学，2016，
55(31):8833-8838.))采用金属Ti和两层电介质Si3N4组成吸收器，其基于阻抗匹配的原理，在2.2～6.2μm波段实现了85％以上的吸收。Yue等人(Yue W S，Wang Z H，Yang Y，et al.High performance infrared plasmonic metamaterial absorbers and their applications to thin-film-sensing.Plasmonics，2016(10):1557-1563.(薛伟胜，王志宏，杨洋等。高性能红外等离子体超材料吸收器及其在薄膜传感中的应用。等离子体，2016(10):1557-1563。))采用金属Au-电介质A12O3-金属Au堆叠组成纳米结构吸收器，其在较窄的频带内获得了完美吸收。Xiao等人(Xiao D，Tao K Y，Wang Q.Ultrabroadband mid-infrared light absorption based on a multi-cavity plasmonic metamaterial array.Plasmonics，2016，11(2):389-394.(晓东，陶克宇，王琼。基于多腔等离子体超材料阵列的宽带中红外吸收器。等离子体，2016，11(2):389-394。))采用基于多腔等离子体超材料的光吸收器，其通过调节层数可以扩大带宽，在3.56μm的带宽内获得了高于80％的吸收率。上述这些红外吸收器均存在制作复杂和吸收率偏低等问题。为了实现入射近红外电磁波宽带完美吸收还需对红外吸收器结构进行设计与对红外吸收器特性进行深入研究。
发明内容

[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其制作简单，吸收带宽较宽，吸收率较高。

[0005] 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，其特征在于：它呈五层结构，包括自下而上依次设置的硅衬底、用于增大入射电磁波的吸收率的金膜、用于增大入射电磁波的吸收率的二氧化硅缓冲层、用于增大整体的机械强度和增强电磁场相互作用以增大入射电磁波的吸收率的石墨烯层、用于减少入射电磁波的反射且能够产生宽带共振吸收作用的哑铃型光栅，所述的哑铃型光栅水平设置于所述的石墨烯层的上表面上。

[0006] 所述的硅衬底的厚度为0.8～1.2毫米。如取1毫米。

[0007] 所述的金膜的厚度为80～120纳米。如取100纳米。

[0008] 所述的金膜通过磁控溅射微纳加工技术加工于所述的硅衬底的上表面上。

[0009] 所述的二氧化硅缓冲层的厚度为170～220纳米。如取200纳米。

[0010] 所述的哑铃型光栅由多个哑铃型结构平行排列构成，即由多个哑铃型的磷化铟结构平行排列构成。

[0011] 所述的哑铃型结构的中间部分的函数表达式为标准的二次曲线ax2+c，其中，a和c均为常数，a的取值范围为0.15～0.3微米-1，c的取值范围为0.06～0.09微米，x表示X方向的自变量。

[0012] 所述的哑铃型光栅的周期为0.89～0.93微米，所述的哑铃型结构的厚度为0.01～0.3微米，所述的哑铃型结构的两端部分的宽度为0.5～0.6微米。

[0013] 所述的哑铃型光栅的制作材料选用磷化铟(InP)，磷化铟在1.6微米附近的折射率为3.16。

[0014] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

[0015] 1)该近红外宽带完美吸收器为层结构，层的设置均可采用常规技术实现，制作极为简单。

[0016] 2)该近红外宽带完美吸收器中的金膜、二氧化硅缓冲层、石墨烯层均可增大入射电磁波的吸收率，大大提高了吸收率；该近红外宽带完美吸收器中的哑铃型光栅能够产生宽带共振吸收作用，大大增大了带宽，在金膜的厚度为100纳米、二氧化硅缓冲层的厚度为200纳米、哑铃型光栅的周期为0.9微米、哑铃型结构的厚度为0.3微米、哑铃型结构的两端部分的宽度为0.6微米、哑铃型结构的中间部分的函数表达式为0.2x2+0.07的情况下，该近红外宽带完美吸收器在近红外1.61～1.92微米波段，吸收率几乎达到了100％，呈完美吸收状态，带宽达300纳米。

[0017] 3)该近红外宽带完美吸收器在多频段隐身、电磁通信和医学领域都具有较高的应用价值。附图说明

[0018] 图1为本实用新型的近红外宽带完美吸收器的主视图；

[0019] 图2为本实用新型的近红外宽带完美吸收器的俯视图；

[0020] 图3为在金膜的厚度为100纳米、二氧化硅缓冲层的厚度为200纳米、哑铃型光栅的周期为0.9微米、哑铃型结构的厚度为0.3微米、哑铃型结构的两端部分的宽度为0.6微米、哑铃型结构的中间部分的函数表达式为0.2x2+0.07的情况下，本实用新型的近红外宽带完美吸收器的吸收光谱的示意图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

[0022] 本实用新型提出的一种基于哑铃型光栅的近红外宽带完美吸收器，如图1和图2所示，其呈五层结构，包括自下而上依次紧贴设置的硅衬底1、用于增大入射电磁波的吸收率的金膜2、用于增大入射电磁波的吸收率的二氧化硅缓冲层3、用于增大整体的机械强度和增强电磁场相互作用以增大入射电磁波的吸收率的石墨烯层4、用于减少入射电磁波的反射且能够产生宽带共振吸收作用的哑铃型光栅5，哑铃型光栅5水平设置于石墨烯层4的上表面上。

[0023] 在本实施例中，硅衬底1的厚度可为0.8～1.2毫米，如取1毫米；金膜2的厚度可为80～120纳米，如取100纳米；二氧化硅缓冲层3的厚度可为170～220纳米，如取200纳米；石墨烯层4 单层，其厚度为0.34纳米。

[0024] 在本实施例中，哑铃型光栅5的制作材料选用磷化铟(InP)，磷化铟在1.6微米附近的折射率为3.16；哑铃型光栅5由多个哑铃型结构51平行排列构成，即由多个哑铃型的磷化铟结构平行排列构成；哑铃型结构51的中间部分511的函数表达式为标准的二次曲线ax2+c，其中，a和c均为常数，a的取值范围为0.15～0.3微米-1，如取值为0.2微米-1，c的取值范围为0.06～0.09微米，如取值为0.07微米，x表示X方向的自变量；哑铃型光栅5的周期可为0.89～0.93微米，如为0.9微米，哑铃型结构51的厚度可为0.01～0.3微米，如为0.3微米，哑铃型结构51的两端部分512的宽度可为0.5～0.6微米，如为0.6微米。

[0025] 在本实施例中，金膜2通过磁控溅射微纳加工技术加工于硅衬底1的上表面上。

[0026] 利用本实用新型的近红外宽带完美吸收器进行实验。

[0027] 在TM电磁波极化正入射情况下，即光波沿X轴反方向垂直入射时，研究入射电磁波的吸收率和带宽。在金膜2的厚度为100纳米、二氧化硅缓冲层3的厚度为200纳米、哑铃型光栅5的周期为0.9微米、哑铃型结构51的厚度为0.3微米、哑铃型结构51的两端部分512的宽度为0.6微米、哑铃型结构51的中间部分511的函数表达式为0.2x2+0.07(即a的取值为0.2微米-1，c的取值为0.07微米)的情况下，得到的吸收光谱如图3所示。从图3中可知，该近红外宽带完美吸收器在近红外1.61～1.92微米波段，吸收率几乎达到了100％，呈完美吸收状态，带宽达300纳米。

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