3-5μm中波红外宽带完美吸收器制造技术

本发明专利技术涉及一种主要针对波长在3微米至5微米光谱范围内的光进行吸收的嵌入型吸收器。吸收器包含多个嵌入式吸收单元，嵌入式吸收单元包含：位于底层的金属钛底层，厚度为：t

【技术实现步骤摘要】
3
‑5μ
m中波红外宽带完美吸收器


[0001]本专利技术涉及光吸收器
；具体的说，涉及一种主要针对波长在3微米至5微米光谱范围内的光进行吸收的嵌入型光吸收器。

技术介绍

[0002]近些年来，关于吸收特定波段电磁波的吸收器研究得到了广泛的关注和快速的发展。它们在侦察、传感、成像等领域有着巨大的应用潜力。中波红外是电磁波段中具有高透明度的大气窗口波段，覆盖该波段的吸收器在夜视侦察、武器瞄准、消防安全等领域具有重要的实用价值。尽管利用等离激元的设计原理，可使微纳尺寸的金属表面产生局部表面等离激元共振，但由于产生的带宽较窄，使其无法在宽光谱范围内有效地利用光能，限制了吸收器在红外成像，电磁隐身等领域的应用，因此，实现宽带中波红外近完美的吸收仍然是一个很大的挑战。
[0003]常用的宽带实现方法有使用高损耗金属材料、光栅阵列结构等。相对于金、银、铜等金属，钛的介电常数变化缓慢，更有利于宽带的实现，但在加热环境下容易氧化，这种特性限制了钛吸收器的使用环境。如果将钛放在一个稳定性更好的结构中，则会扩大钛结构吸收器的应用范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高吸收、覆盖中波红外整个吸收波段并且对入射光入射角度不敏感的嵌入型吸收器。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]基于嵌入式结构的光吸收器，包含多个嵌入式吸收单元，嵌入式吸收单元包括：
[0007]位于底层的金属钛底层，厚度为t
金属2/>；t
金属2
＝0.2μm；
[0008]位于中间层的硅介质层，厚度为t
介质1
；t
介质1
＝0.5
‑
0.65μm；
[0009]位于中间层的金属钛材质的圆环，厚度为t
金属1
；t
金属1
＝0.05
‑
0.2μm；
[0010]位于表层的氧化铝介质层，其厚度为t
介质2
；t
介质2
＝0.5
‑
0.8μm；
[0011]圆环的内外半径分别为r
金属1
和R
金属1
，周期为p，圆环与衬底的距离为d
金属1
；r
金属1
＝0.5
‑
0.65μm，R
金属1
＝0.75
‑
0.9μm，d
金属1
＝0.075
‑
0.3375μm，p＝1.8μm。
[0012]t
金属1
：t
介质1
：t
介质2
：t
金属2
＝(0.25
‑
1)：(2.5
‑
3.25)：(2.5
‑
4)：1。
[0013]所述器件底部是衬底金属钛，中间介电层硅中嵌入一个钛圆环，顶部由介质层氧化铝覆盖。
[0014]本专利技术提出了一种金属圆环嵌入型三层吸收器，这种结构在保证高吸收的同时又弥补了金属钛在加热环境下易氧化的缺陷。且吸收器顶部的氧化铝起到了诱导共振的作用，同时还可以有效地防止金属钛的氧化。将金属钛环嵌入到介质硅中，进一步增强了结构的稳定性。基底和嵌入的金属表面激发的表面等离子体共振(SPR)使吸收体在中红外频段表现出高吸收的性能，并且两种不同的电介质会诱导出两个不同位置的共振吸收峰，两种
机制的共同作用使得整体结构能够实现宽带完美吸收。
[0015]优选地，金属底层，其厚度为0.2μm；硅介质层，其厚度为0.6μm；氧化铝介质，其厚度为0.6μm；金属圆环，其厚度为0.15μm；圆环内半径为0.6μm；圆环外半径为0.9μm；圆环与衬底的距离为0.175。
[0016]本结构在整个3
‑
5μm中红外波段范围内表现出非常完美的吸收性能，最高、最低和平均吸收率分别为99.91％、93.91％和98.57％。吸收系数表达式A＝1
‑
R
‑
T。
[0017]本结构对入射光的入射角也不敏感，当入射光的入射角度达到60
°
，平均吸收率仍高达93.55％。
[0018]本专利技术的有益效果为：本专利技术结构可有效对波长在3微米至5微米光谱范围内的光进行吸收。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的一种单元结构示意图；
[0020]图2为本专利技术中的吸收器的吸收光谱示意图；
[0021]图3本专利技术在3μm波长处X
‑
Z截面的电场分布；
[0022]图4本专利技术在3μm波长处X
‑
Z截面的磁场分布；
[0023]图5本专利技术在4μm波长处X
‑
Z截面的电场分布；
[0024]图6本专利技术在4μm波长处X
‑
Z截面的磁场分布；
[0025]图7本专利技术在5μm波长处X
‑
Z截面的电场分布；
[0026]图8本专利技术在5μm波长处X
‑
Z截面的磁场分布；
[0027]图9为改变介质氧化铝的厚度吸收性能的影响；
[0028]图10为改变介质硅的厚度吸收性能的影响；
[0029]图11为改变圆环高度对吸收性能的影响；
[0030]图12为改变圆环厚度对吸收性能的影响；
[0031]图13为改变圆环内半径对吸收性能的影响；
[0032]图14为改变圆环外半径对吸收性能的影响；
[0033]图15为光的入射角度对结构吸收性能的影响；图16为单元结构的三维立体图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0035]实施例：本专利技术为一种高吸收、覆盖中波红外整个吸收波段并且对入射光入射角度不敏感的嵌入型吸收器。在仿真模拟中，x和y方向使用周期边界条件，z方向使用PML边界，平面波由z轴的负方向垂直入射，同时，在衬底下方和光源背面分别设置监视器监测结构的透射率和反射率，吸收率的计算，使用公式：A＝1
‑
T
‑
R。硅和氧化铝两种材料的光学参数均取自Palik的数据，钛的介电常数用德鲁德洛伦兹模型。
[0036]如图1(a)所示为单元结构的三维立体图，底部是衬底金属钛，中间介电层硅中嵌入一个钛圆环，顶部由介质层氧化铝覆盖。俯视图如图1(b)所示，侧视图如图1(c)所示。
[0037]如图2所示，反射率和透射率几乎为零，在3
‑
5μm范围内，吸收强度最低超过93.91％，平均吸收率高达98.57％，完全覆盖了3
‑
5μm中波红外大气透明窗口，吸收率达到
完美吸收。
[0038]选取两个单元结构，绘制了3μm、4μm、5μm三个波长处X...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.3
‑
5μm中波红外宽带嵌入型完美吸收器，包含多个嵌入型吸收单元，其特征在于：嵌入型吸收单元包括：位于底层的金属钛底层，厚度为t
金属2
；t
金属2
＝0.2μm；位于中间层的硅介质层，厚度为t
介质1
；t
介质1
＝0.5
‑
0.65μm；位于中间层的金属钛材质的圆环，厚度为t
金属1
；t
金属1
＝0.05
‑
0.2μm；位于表层的氧化铝介质层，其厚度为t
介质2
；t
介质2
＝0.5
‑
0.8μm；所述嵌入型吸收器单元呈四棱柱设置，底层的金属钛底层、中间层...

【专利技术属性】
技术研发人员：方云，巩丽，潘凌云，唐玉，刘金姣，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：