基于錐形金屬-電介質多層光柵結構的偏振無關寬帶吸收器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本專利涉及寬帶光譜吸收器，特別是一種用于紅外波段的基于錐形金屬-電介質 多層光柵結構的偏振無關寬帶吸收器。
【背景技術】
[0002] -般來說，基于亞波長結構的光譜吸收器分為兩種：一種是在較窄的帶寬內有著 理想的吸收，主要用于設計高靈敏度的探測器、熱成像器件以及窄帶吸收/熱輻射器，常稱 為選擇性吸收器。另一種是在較寬的波帶范圍內均有著很高的吸收，稱為寬帶吸收器，它主 要應用于太陽能電池、熱光伏器件和隱身等領域。目前，對基于亞波長結構的寬帶吸收研究 已經成為一個熱點方向。
[0003] 但是目前的吸收器都有著吸收帶寬窄和對偏振性敏感的缺陷。為了擴展吸收帶 寬，一個簡單和有效的方法就是在吸收器的一個周期內采用多重的諧振結構，它們在各自 的諧振波長處可以實現近100%的理想吸收，并且它們的諧振波長很接近，吸收帶寬重疊， 從而形成寬帶吸收【在先技術l:C.Wu et al.，0pt.Lett.37,308-310(2012)】。由于在一個 亞波長周期內所能混合的諧振單胞的數量有限，因而該方法所拓展的帶寬仍然是有限的。 為了進一步的擴展吸收帶寬，人們提出并實驗驗證了各向異性超材料的概念。Cui等人提出 了一種鋸齒形的各向異性超材料平板TM偏振吸收器，在垂直入射時，其在3到5.5μπι的帶寬 范圍內吸收率高于 95%【在先技術 2: Cui, Y.et al.，Nano Lett .12,1443-1447(2012)】。Ji 等人實際實現了一個基于多層金屬-電介質薄膜的雙曲吸收器，其寬帶吸收可以再近紅外 和中紅外光譜范圍內自由調諧【在先技術3: Ji，D. et al.，Sci . Rep. 4，4498(2014)】。Zhou等 人設計了一個基于錐形金屬-電介質多層結構的TM偏振寬帶吸收器，其在可見光和紅外波 段均有著較高的吸收【在先技術4:Jing Zhou et al.，ACS Photonics, 1(7) ,618-624 (2014)】。盡管如此，這些基于一維各向異性超材料的寬帶吸收器有一個共同的缺陷，即它 們對入射光的偏振態敏感，這極大地限制了它們的潛在應用。Ding等人提出了一種基于二 維周期性金屬-電介質多層四邊形的截錐金字塔型超寬帶吸收器，其在8GHz到14GHz范圍內 對于垂直入射的光有著近100%的偏振無關吸收【在先技術5:Ding，F et al .Appl .Phys .Lett. 100，103506(2012)】。1^&]^等人提出了一種基于二維金字塔型的超材 料偏振無關吸收器，其在整個紅外波段范圍內有著極高的寬帶吸收【在先技術6 :Qiuqun Liang et al ·，Adv.0pt.Mater. 1,43-49(2013)】。盡管如此，這些基于二維各向異性超材料 的偏振無關寬帶吸收器很難制作，這同樣限制了其潛在的應用。
[0004] 矩形光柵是利用微納加工工藝，在襯底上加工出的具有矩形槽形的光柵。亞波長 矩形光柵的衍射問題，不能由簡單的標量光柵衍射來處理，而必須采用矢量形式的麥克斯 韋方程并結合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地求解。Moharam等人已給出了嚴格耦 合波理論的算法【在先技術7:M.G.Moharam et al·，夂(^15〇(：.4111.4.12，1077(1995)】，可 以解決這類亞波長光柵的衍射問題。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種用于紅外波段的基于錐形金屬-電介質多層 光柵結構的偏振無關寬帶吸收器，當TE和TM偏振光垂直入射時，其在紅外波段一個較寬的 波帶范圍的入射光將被吸收，偏振無關吸收率超過90%的帶寬大于2微米，并且在很大的入 射角范圍內可以維持很高的偏振無關吸收，具有很大的角度無關性。因此，該偏振無關寬帶 吸收器具有重要的實用價值。
[0006] 本發明的技術解決方案如下：
[0007] -種用于紅外波段的基于錐形金屬-電介質多層光柵結構的偏振無關寬帶吸收 器，包括自上而下的金屬-電介質多層光柵、金屬薄膜反射層和電介質襯底，其中金屬-電介 質多層光柵的周期d為1640~1645納米，該金屬-電介質多層光柵由N對金屬光柵和電介質 光柵疊加組成，且占空比由上而下逐漸增加，金屬光柵和電介質光柵的厚度分別為5.5~ 6.5納米和257~259納米，頂部光柵和底部光柵的寬度分別為100~105納米和1595~1600 納米，金屬薄膜反射層的厚度大于光在紅外波段的趨膚深度。
[0008] 最佳的偏振無關寬帶吸收器的光柵周期為1643納米，金屬光柵和電介質光柵的厚 度分別為6納米258納米，頂部光柵和底部光柵的寬度分別為103納米和1599納米，金屬薄膜 反射層的厚度為200納米。
[0009] 本發明的技術效果如下：
[0010] 當吸收器的光柵周期為1643納米，金屬光柵和電介質光柵的厚度分別為6納米258 納米，頂部光柵和底部光柵的寬度分別為103納米和1599納米，金屬薄膜反射層的厚度為 200納米時：
[0011] (1)當TE和TM偏振光垂直入射時，其在紅外波段一個較寬的波帶范圍的入射光將 被吸收，偏振無關吸收率超過90%的帶寬大于2微米，并且在很大的入射角范圍內可以維持 很高的偏振無關吸收，具有很大的角度無關性。
[0012] (2)具有使用靈活方便、偏振無關吸收帶寬較寬，偏振無關寬帶吸收的角度無關性 好等優點，是一種非常理想的偏振無關寬帶吸收器件，利用光學全息記錄技術或電子束直 寫裝置結合微電子刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產，制作后的吸收/輻射器件性能穩 定、可靠，具有重要的實用前景。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明的用于紅外波段的基于錐形金屬-電介質多層光柵結構的偏振無關 寬帶吸收器的幾何結構。
[0014] 圖中，1代表區域1(折射率為m)，2代表金屬-電介質多層光柵，3代表金屬薄膜反 射層，材料與金屬-電介質多層光柵2中金屬光柵一樣，4代表電介質襯底(折射率為Π 2)，材 料為恪融石英。TE偏振光（電場方向沿著y軸)和TM偏振光(磁場方向沿著y軸)從區域1入射 該器件。d為光柵周期，錐形金屬-電介質多層光柵中金屬光柵和電介質光柵的厚度分別為 hi和h2,頂部光柵和底部光柵的寬度分別為wt和wb，相應的占空比分別為ft = wt/d和fb = wb/ d，光柵的寬度或占空比從底部的wb(fb)隨機變化到頂部的wt(ft)，并且下面的光柵寬度或 占空比大于上面的。
[0015] 圖2是本發明要求范圍內一個實施例的TE和TM偏振吸收效率隨波長變化的曲線。
[0016] 圖3是圖2中實施例的TE偏振吸收效率隨入射角和波長變化的二維圖