一种基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器制造技术

本申请公开一种基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器。该超宽带光学吸收器的工作波段为别为可见

An ultra wideband optical absorber based on multilayer transition metal layers

【技术实现步骤摘要】
一种基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器


[0001]本申请属于光学
，具体的涉及一种工作于可见光至红外波段的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器。

技术介绍

[0002]工作于可见
‑
红外波段的超宽带光学吸收器具有广阔的应用场景。光学吸收器根据其吸收光的具体波段的不同可以应用于诸多领域，如通讯、传感、军事、环境监测、医学治疗以及基础研究等。
[0003]当光(电磁波)入射到金属材料，电介质材料以及半导体材料中时都会存在介质损耗、磁滞损耗和电阻损耗，这使得入射到物体之中的电磁能量将被转换为其他形式的能量消耗掉。一种常见的光学吸收器结构是利用法布里珀罗共振腔原理，其光程为电磁波波长的四分之一。利用电磁波多重反射的多光束干涉原理，使电磁波互相干涉从而相消吸收。这种吸收器的厚度通常为四分之一波长的奇数倍，对光的入射角度和偏振态的变化都极为敏感，且工作带宽也非常窄。另一种常见的超材料吸收器是通过设计顶层的亚波长大小的图案化结构来设计特定波段的吸收器，这种超材料吸收器可以极大地减小薄膜厚度，但需要光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品面积受到限制，且工作带宽也受到一定的限制。
[0004]可见
‑
红外波段作为一个在诸多领域都有广泛应用的重要波段，如何有效地改进吸收器的结构设计和制备手段来实现光学吸收器带宽的扩展、尺寸的减小、成本的降低和大面积制备对于吸收器领域是具有显著意义。

技术实现思路

[0005]为解决上述提及的吸收器的吸收带窄、吸收效率低、结构复杂的缺陷，本申请的目的在于：提出一种对入射角度不敏感的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器。该超宽带光学吸收器具有吸收波段极宽，结构简单，可大面积制备，可柔性制备，对结构尺寸误差不敏感的优点。
[0006]为实现上述目标本申请采用如下的技术方案：
[0007]一种基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其工作波段为可见
‑
近红外波段或中红外波段，其特征在于：
[0008]包括：基底，设置在基底上平面多层结构，
[0009]所述平面多层结构，包括高反射金属膜层及设置在高反射金属膜层上至少3层光吸收薄膜结构，每层光吸收薄膜结构皆包括过渡金属膜层及电介质膜层，且每层中过渡金属膜层的厚度小于电介质膜层的厚度，
[0010]所述超宽带光学吸收器的厚度小于3000nm。
[0011]优选的，该过渡金属膜层的材料选自钛、铬及铂中的至少一种。
[0012]优选的，该电介质膜层的材料选自氟化镁或氧化硅。
[0013]优选的，该高反射金属膜层的材质选自金、铝及铬中的至少一种，且厚度大于
50nm。
[0014]优选的，该超宽带光学吸收器的工作波段为可见
‑
近红外波段，其厚度小于500nm，
[0015]所述平面多层结构包括3层依次层叠的光吸收薄膜结构，且配置成依次层叠的高反射金属膜层、第一过渡金属膜层、第一电介质膜层、第二过渡金属膜层、第二电介质膜层、第三过渡金属膜层及第三电介质膜层；
[0016]且所述第一过渡金属膜层的厚度大于第二过渡金属膜层的厚度及大于第三过渡金属膜层的厚度，所述超宽带光学吸收器的。
[0017]优选的，该第一过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度介于40～70nm；
[0018]第一电介质膜层材料为MgF2，其厚度介于90～110nm；
[0019]第二过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度介于10～13nm；
[0020]第二电介质膜层材料为MgF2，其厚度介于110～130nm；
[0021]第三过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度介于4～7nm；
[0022]第三电介质膜层材料为MgF2，其厚度介于90～110nm。
[0023]优选的，该超宽带光学吸收器的工作波段为中红外波段，其厚度小于3000nm，
[0024]所述平面多层结构包括3层光吸收薄膜结构，且配置成依次层叠配置的高反射金属膜层、第七电介质膜层、第四光吸收薄膜结构、第八电介质膜层、第五光吸收薄膜结构、第六光吸收薄膜结构及第九电介质膜层。
[0025]优选的，该基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器中，
[0026]第一电介质膜层材料为MgF2，其厚度为850～910nm；
[0027]第一过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度为15～20nm；
[0028]第二电介质膜层的材料为MgF2,其厚度为900～1000nm；
[0029]第三电介质膜层材料为Ta2O5，其厚度为120～160nm；
[0030]第二过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度为15～20nm；
[0031]第四电介质膜材料为Ta2O5，其厚度为600～650nm；
[0032]第三过渡金属膜层的材料为Ti,其厚度为4～5nm；
[0033]第五电介质膜层
Ⅴ
的材料为Si3N4,其厚度为750～850nm；
[0034]第六电介质膜层的材料为MgF2,厚度为800～900nm。
[0035]优选的，该基底选自硅片、SiO2玻璃、抛光Al片或PET塑料。
[0036]优选的，该基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器设计时，以平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值为优化目标，设计平面多层结构中各层的材料和厚度；利用真空镀膜的方式，在基底表面沉积平面多层结构。
[0037]基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器的吸收率公式为：A＝1
‑
R
‑
T，反射率公式用光学导纳来描述其中Y0和Y
end
分别为空气和吸收器的光学导纳值，Y
end
＝H
a
/E
a
，H
a
为和E
a
分别为空气与吸收器界面处的磁场分量和电场分量，最底层为高反射金属，透射率T＝0，因此吸收器的等效光学导纳值应尽可能接近空气的光学导纳值。在设计基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器时，以平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值为优化目标，设计平面多层结构中各层的材料和厚度；利用真空镀膜的方式，在
基底表面沉积平面多层结构即可得到超宽带光学吸收器。
[0038]有益效果：
[0039]本申请实施方式提出的超宽带光学吸收器具有优异的超宽波段吸收性能。可见
‑
近红外波段超宽带光学吸收器，在波长400～2500nm处的平均吸收率>92％，在入射角大于68
°
时平均吸收率仍超过84％；中红外波段超宽带光学吸收器，在波长3～16μm处的平均吸收率>80％。
[0040]另外，本申请实施方式提出的超宽带光学吸收器的结构简单，不需要用到复杂的光刻技术，所制备的器件面积只取决于真空镀膜时的腔室大小，器件性能受加工精度影响很小，具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其工作波段为可见
‑
近红外波段或中红外波段，其特征在于：包括：基底，设置在基底上平面多层结构，所述平面多层结构，包括高反射金属膜层及设置在高反射金属膜层上至少3层光吸收薄膜结构，每层光吸收薄膜结构皆包括过渡金属膜层及电介质膜层，且每层中过渡金属膜层的厚度小于电介质膜层的厚度，所述超宽带光学吸收器的厚度小于3000nm。2.根据权利要求1所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述过渡金属膜层的材料选自钛、铬及铂中的至少一种。3.根据权利要求1所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述电介质膜层的材料选自氟化镁或氧化硅。4.根据权利要求1所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述高反射金属膜层的材质选自金、铝及铬中的至少一种。5.根据权利要求4所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述高反射金属膜层的厚度大于50nm。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述超宽带光学吸收器的工作波段为可见
‑
近红外波段，其厚度小于500nm，所述平面多层结构包括3层依次层叠的光吸收薄膜结构，且配置成依次层叠的高反射金属膜层、第一过渡金属膜层、第一电介质膜层、第二过渡金属膜层、第二电介质膜层、第三过渡金属膜层及第三电介质膜层；且所述第一过渡金属膜层的厚度大于第二过渡金属膜层的厚度及大于第三过渡金属膜层的厚度，所述超宽带光学吸收器的。7.根据权利要求6所述的基于多层过渡金属层的超宽带光学吸收器，其特征在于：所述第一过渡金属膜层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张程，李昊宇，李孝峰，孙倜，王钦华，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：