基于齿形结构的光吸收器制造技术

技术编号:17003185 阅读:42 留言:0更新日期:2018-01-11 01:06
本实用新型专利技术涉及一种主要针对波长在400纳米至830纳米光谱范围内的光进行吸收的基于齿形结构的光吸收器。光吸收器包含多个回音壁型吸波单元,回音壁型吸波单元包含:位于底层的金属底层,厚度为:t金属2;位于中间层的介质层,厚度为t介质;t介质=60~80nm;位于表层且金属材质的光耦合层,其厚度为t金属1;t金属1:t介质:t金属2=1:(1.5~3):(4~7.5);所述光耦合层呈矩形设置,且中部设有矩形的耦合孔;光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔,相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿;位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。本实用新型专利技术结构可有效对可见光以及近红外光进行吸收。

【技术实现步骤摘要】
基于齿形结构的光吸收器
本技术涉及光吸收器
;具体的说,涉及一种主要针对波长在400纳米至830纳米光谱范围内的光进行吸收的一种基于齿形结构的光吸收器。
技术介绍
太阳能热光伏技术是绿色能源和可再生能源中的一个重要领域,因此对太阳光的高效宽带吸收一直备受关注。利用Salisbury屏可以实现对电磁波的完美吸收。Salisbury屏是金属-介质-金属三层结构,但是Salisbury屏一般适用于单频点,如果想实现宽频吸收,必须要做多层结构,给太阳能的有效利用带来了很大的困难。为了获得具有亚波长厚度的宽频电磁波吸收器,很多国家都进行过深入的研究。N.I.Landy等人于2008年在美国物理快报上发表了关于超材料(metamaterial)电磁波吸收器的论文,并提出制作一种吸收电磁波的吸收器结构;该吸收器具有金属-介质-金属三层结构,工作在微波波段。该超材料电磁波吸收器的结构单元尺寸和厚度都是亚波长的,与传统的Salisbury屏相比具有小型化的优势,但是该吸收器仍然是窄带的。根据实际需要,电磁波吸收器的工作频率已经从微波波段发展到了太赫兹、红外和可见光范围。但是能够在可见光和近红外范围实现高效吸收的宽带吸收器的研制工作仍然面临很多困难。
技术实现思路
本技术的目的在于解决现有技术的不足,提供一种基于齿形结构的光吸收器。为达到上述目的,本技术采用的技术方案为:基于齿形结构的光吸收器,包含多个回音壁型吸波单元,回音壁型吸波单元包括:位于底层的金属底层,厚度为:t金属2;位于中间层的介质层,厚度为t介质;t介质=60~80nm;位于表层且金属材质的光耦合层,其厚度为t金属1;t金属1:t介质:t金属2=1:(1.5~3):(4~7.5);所述光耦合层呈矩形设置,且中部设有矩形的耦合孔;光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔,相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿;位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。本技术中的回音壁型吸波单元也称之为超分子(meta-molecule),每个齿形结构单元是超原子(meta-atom),因此本技术是由包含齿形超原子的回音壁型超分子排列形成的光吸收器。当可见光以及近红外光(400nm~830nm)照射时,光耦合层的特殊结构使入射光在超分子中产生回音壁模式,即绕着光耦合层的闭合路径进行回转,在回转的过程中与齿形结构的超原子(meta-atom)发生作用,进而产生表面等离激元谐振及局域谐振,从而对入射光产生较强的吸收作用。另外,金属底层和金属材质的光耦合层通过介质层隔开,光照射时能产生波导模式和法布里-帕罗模式,也对该频谱范围内的光起到吸收作用。优选地,介质层,其厚度为60~80nm;金属底层,其厚度为120~150nm。光在照射过程中,沿x方向极化的偏振光的吸收系数的计算公式为Ax(ω)=1-Txx(ω)-Tyx(ω)-Rxx(ω)-Ryx(ω),其中Txx(ω)(Rxx(ω))和Tyx(ω)(Ryx(ω))是共极化和交叉极化透射率(反射率)。它们的定义是:Txx(ω)=|S2x1x(ω)|2,Tyx(ω)=|S2y1x(ω)|2,Rxx(ω)=|S1x1x(ω)|2,Ryx(ω)=|S1y1x(ω)|2。S2i1j和S1i1j分别表示透射和反射的S参数,下角标i和j(i=x,y;j=x,y)代表的是模式j向模式i的转化。因为底面的金属膜层的厚度大于电磁波(即可见光、近红外光)的穿透深度,所以在Ax(ω)的表达式中Txx(ω)=Tyx(ω)=0。因此对于对本技术方案中的结构来说,其吸收系数的表达式为Ax(ω)=1-Rxx(ω)-Ryx(ω)。本技术方案中的光吸收器具有比较高的吸收能力,当光垂直入射时,对400纳米-830纳米波长范围的光的平均吸收超过75%,其中对波长在400纳米-600纳米之间的光的平均吸收在90%以上。优选地,每一侧面的矩形耦合凹孔长度与矩形耦合凹孔至耦合孔的距离相等。再进一步地,矩形耦合凹孔的长度与临近的凸齿的长度相等。上述的两个微结构特征,可以辅助提高该频段光与矩形耦合凹孔的耦合效率,提高光吸收率。进一步地,耦合孔呈方形设置,耦合孔的边长a为185~210nm。优选地,光耦合层呈方形设置,介质层覆盖整个光耦合层。将光耦合层设置为方形设置,根据仿真结果,可以有效提高吸收率;优选地,介质层的尺寸大于光耦合层。优选地,光耦合层的4个侧面分为两组,每组两个侧面的所有矩形耦合凹孔形状大小相同,且任意相对的两个侧面的矩形耦合凹孔长度不等。将齿形结构设置为非对称结构,因此在光吸收时,可产生非对称的耦合,提高吸收效率。优选地,矩形耦合凹孔的长度和宽度之和为60~95nm。优选地,其中一组矩形耦合凹孔的长度为50~70nm;宽度为10~30nm;另一组矩形耦合凹孔的长度为30~45nm,宽度为30~45nm。当矩形耦合凹孔为上述尺寸范围时,可进一步地增加光吸收效果。优选地,包括多个回音壁型吸波单元,回音壁型吸波单元呈阵列排列且位于同一平面。回音壁型吸波单元向x、y方向进行周期延拓,即可得到齿形结构的光吸收器。本申请中的方形均为正方形。本技术的有益效果为:本技术结构可有效对可见光以及近红外光进行吸收。附图说明图1为本技术的一种结构示意图。图2为本技术中的一个回音壁型吸波单元的结构示意图。表层部分是由四组齿形结构(即四个齿形超原子)级联而成的正方形结构,由金属银制作而成,中间层部分是熔融石英,底层部分是连续的银膜层。图3为本技术中的一个回音壁型吸波单元的光耦合层示意图。图中g1、g2、g3和g4是齿形超原子的结构参数,表示银金属条或空气缝隙的宽度。g1的值在50纳米到70纳米之间,g2和g3的值都在30纳米到45纳米之间,g4的值在10到30纳米之间。内部正方形孔的边长a的取值范围是185纳米至210纳米。光耦合层的边长L的取值范围是330纳米至360纳米。P为一个回音壁型吸波单元的边长,或称之为一个回音壁型吸波单元的周期,P的取值范围是370纳米至400纳米。图4为本技术对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图(Ax)。Ryx是由于该吸收器结构的不对称性导致的交叉极化反射率。图5为本技术对偏振角从0度变化到90度的垂直入射光的吸收频谱图。图6为本技术对横电(TE)波斜入射时的吸收频谱图。图7为本技术对横磁(TM)波斜入射时的吸收频谱图。图8为本技术随参数g1变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。图9为本技术随参数g2变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。图10为本技术随介质层的厚度变化时对垂直入射的x方向偏振光的吸收频谱图。附图标记说明:1——光耦合层;11——矩形耦合凹孔;12——凸齿;13——耦合孔;2——介质层;3——金属底层;100——回音壁型吸波单元。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步地说明。实施例:请参阅附图1至附图10。本技术为基于齿形结构的宽带超材料可见光和近红外光吸收器。其包括阵列排列且位于同一平面的多个回音壁型吸波单元100(参见图1),回音壁型吸波单元100向x、y方向进行周期延拓,即可得到本实施例齿形结构的光吸收器。每一回音壁型吸波单元100的本文档来自技高网...
基于齿形结构的光吸收器

【技术保护点】
基于齿形结构的光吸收器,包含多个回音壁型吸波单元,其特征在于:回音壁型吸波单元包括:位于底层的金属底层,厚度为:t金属2;位于中间层的介质层,厚度为t介质;t介质=60~80nm;位于表层且金属材质的光耦合层,其厚度为t金属1;t金属1:t介质:t金属2=1:(1.5~3):(4~7.5);所述光耦合层呈矩形设置,且中部设有矩形的耦合孔;光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔,相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿;位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。

【技术特征摘要】
1.基于齿形结构的光吸收器,包含多个回音壁型吸波单元,其特征在于:回音壁型吸波单元包括:位于底层的金属底层,厚度为:t金属2;位于中间层的介质层,厚度为t介质;t介质=60~80nm;位于表层且金属材质的光耦合层,其厚度为t金属1;t金属1:t介质:t金属2=1:(1.5~3):(4~7.5);所述光耦合层呈矩形设置,且中部设有矩形的耦合孔;光耦合层的4个侧面均设有至少两个矩形耦合凹孔,相邻的两个矩形耦合凹孔之间形成凸齿;位于同一侧面的所有矩形耦合凹孔的长度相等。2.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器,其特征在于:每一侧面的矩形耦合凹孔长度与矩形耦合凹孔至耦合孔的距离相等。3.根据权利要求1或2所述的基于齿形结构的光吸收器,其特征在于:矩形耦合凹孔的长度与临近的凸齿的长度相等。4.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸收器,其特征在于:耦合孔呈方形设置,耦合孔的边长a为185~210nm。5.根据权利要求1所述的基于齿形结构的光吸...

【专利技术属性】
技术研发人员:张旭李宏强魏泽勇程凯扬
申请(专利权)人:东莞同济大学研究院东莞天卫隐身技术有限公司
类型:新型
国别省市:广东,44

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