一种基于金属微纳结构的双通道全光吸收器

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，尤其是一种基于金属微纳结构的双通道全光吸收器。

背景技术

全光吸收器由于其近乎完美的吸光能力，在太阳能光伏产业、热辐射器、传感和光谱敏感探测、光开关和滤波器等中有着广泛的应用。而双通道全光吸收器，由于其可以在两个不同频率处做到光的完美吸收，使得其在双波段天线、双通道滤波器上有较好的应用。通常，亚波长周期金属纳米光阵列的谐振光谱表现出“异常”的谐振特性，这都与金属结构附近诱发的表面等离激元(SPPs)效应有关。但由于相互作用过程中SPPs的大量损耗和狭缝中谐振腔的模体积有限，它们的谐振峰通常以宽频带形式出现，其半峰全宽(FWHM)在光谱范围内通常为100-200nm。但在许多应用中，较窄的传输频带是非常可取的，所以可以通过获得更窄的传输频带来提高其性能。

目前，研究人员开发的全光吸收器基本是单通道的，双通道的全光吸收器吸收效果并不佳，吸收频带也较宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全光吸收器在双通道的吸收波段情况下其吸收光谱的吸收效果好的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于金属微纳结构的双通道全光吸收器，包括金属衬底；所述金属衬底上方设置有三层混合介质结构；

所述混合介质结构包括高折射率介质层和低折射率介质层；所述低折射率介质层位于高折射率介质层上方；所述高折射率介质层和低折射率介质层固定连接；

最顶层的混合介质结构上的低折射率介质层上设置有阵列分布的十字臂结构；且所述十字臂结构与低折射率介质层固定连接；最底层的混合介质结构上的高折射率介质层与金属衬底固定连接；相邻两层混合介质结构中上层混合介质结构的高折射率介质层与下层混合介质结构的低折射率介质层固定连接。

进一步的，所述十字臂结构的横杆长度b为500-600nm，横杆宽度a为35-55nm，横杆高度h范围为85-115nm，周期P为600-800nm。

具体的，所述金属衬底采用贵金属基底。

具体的，所述十字臂结构采用金属锗十字结构。

进一步的，所述低折射率介质层厚度为10-30nm，且折射率大于1；所述高折射率介质层的厚度为20-40nm，所述高折射率介质层的射率比低折射率介质层的折射率高0.2及以上。

进一步的，所述金属衬底的厚度为2000nm以上。

本发明的有益效果是：本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器，通过在金属锗十字结构下方引入低折射率介质层(LID)与高折射率介质层(HID)组成的介质层结构，形成杂化SPPs共振模式，并通过调谐各共振模式以获得更窄的谐振峰，从而得到一种基于金属微纳结构的双通道全光吸收器；其在滤波与光谱传感方面具有更广泛的应用前景。

并且，本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器，在950nm和1130nm左右时，吸收率达到99.99％以上，可以达到完美吸收的效果；相较现有技术中的双通道吸收器达到了完美吸收的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中基于金属微纳结构的双通道全光吸收器的立体图；

图2为本发明实施例中基于金属微纳结构的双通道全光吸收器的主视图；

图3为本发明实施例中基于金属微纳结构的双通道全光吸收器的俯视图；

图4为本发明实施例中十字形结构的结构示意图；

图5为本发明实施例中基于金属微纳结构的双通道全光吸收器的吸收光谱图；

图中标示：1-金属衬底，2-混合介质结构，21-低折射率介质层，22-高折射率介质层，3-十字臂结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图5所示，本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器，包括金属衬底1；所述金属衬底1上方设置有三层混合介质结构2；

所述混合介质结构2包括高折射率介质层22和低折射率介质层21；所述低折射率介质层21位于高折射率介质层22上方；所述高折射率介质层22和低折射率介质层21固定连接；

最顶层的混合介质结构2上的低折射率介质层21上设置有阵列分布的十字臂结构3；且所述十字臂结构3与低折射率介质层21固定连接；最底层的混合介质结构2上的高折射率介质层22与金属衬底1固定连接；相邻两层混合介质结构2中上层混合介质结构的高折射率介质层22与下层混合介质结构的低折射率介质层21固定连接。

在工作过程中，其工作原理为：本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器公开了一种薄金属纳米光阵列结构，即正交“十字”臂结构，并引入三层混合介质结构2，如1图所示。

本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器中十字臂结构3之间的SP谐振腔以及三层混合介质结构2引入的杂化耦合模式相互作用形成双谐振峰。当光通过混合介质层时，十字臂结构3即锗(Ge)“十字”臂结构与混合介质层之间形成多阶杂化波导模式，抑制光的吸收，混合介质层的高折射率介质层与低折射率介质层之间形成多阶腔模式，增强光的吸收。通过优化混合介质结构2，即高/低折射率介质层的层高及锗(Ge)“十字”臂结构的结构参数(例如：臂宽a、臂长b、周期P等)来调谐多阶杂化波导模式和多阶腔模式之间的相互作用，从而得到效果比较好的双吸收峰。

具体的，所述十字臂结构3的横杆长度b为500-600nm，横杆宽度a为35-55nm，横杆高度h范围为85-115nm，周期P为600-800nm。所述金属衬底1采用金基底。所述十字臂结构3采用金属锗十字结构。所述低折射率介质层21厚度为10-30nm，且折射率大于1；所述高折射率介质层22的厚度为20-40nm，所述高折射率介质层22的折射率比低折射率介质层21的折射率高0.2及以上；所述金属衬底1的厚度为2000nm以上。

实施例

本发明所述的基于金属微纳结构的双通道全光吸收器，通过采用时域有限差分法(FDTD)模拟出该光学器件结构的最小元胞，并设置相应的边界条件进行模拟，从而计算出相应的模拟结果，通过该实验数据证明该光学器件结构的有益效果。

如图1所示，十字臂结构3即锗(Ge)的正交”十字”结构沉积在属衬底1即金(Au)基底上的混合介质结构2的顶部。单层的混合介质结构2是由低折射率介质在上，高折射率介质在下，构成了一个基本的混合介质层，三层混合介质结构2形成混合介质层；结构入射光在x方向偏振，并沿z轴传播。x、y方向采用周期边界条件，z方向采用完美匹配层(PML)边界条件。

如图2、3所示，所述十字臂结构3的横杆的高度为h＝100nm，横杆的长度为b＝600nm，横杆的宽度为a＝48nm，周期为P＝750nm，其中P＝750nm指每个最小元胞的周期。低折射率介质层21厚度设置为20nm，高折射率介质层22的厚度设置为30nm，低折射率介质层21折射率大于1，高折射率介质层22的折射率比低折射率介质层21的折射率高0.2及以上。

根据以下公式：

A+R+T＝1(1

A＝1-R(2

由于本方案采用金基底，透射光被完全阻挡，透射率(T)为零，因此，可推导出公式(2，即所得吸收率(A)可以由反射率(R)来计算得出。于是本方案即可通过收集反射光来表征该光学器件结构的光学性质。锗、金的介电常数采用的是Palik手册的模型。需要注意的是，Ge折射率的虚部接近于零(<1e-16)，实部为4.01，因为在这个范围内几乎没有色散。模拟尺寸的边界设置为封闭。

在本实施例中，运用真空电子束蒸发技术，在所述金质基底上制备所述高折射率介质层和所述低折射率介质层所形成的三层混合介质结构，运用真空电子束蒸发技术，在所述高折射率介质层和所述低折射率介质层形成的结构上通过高能电子束轰击金属靶源，形成超薄金属层，然后运用光刻技术，对超薄金属层进行蚀刻，制得所述周期性“十字”结构，所述周期性“十字”结构的材质为锗(Ge)。

通过实验模拟得到的吸收光谱，在950nm和1130nm左右时，吸收率达到99.99％以上，可以达到完美吸收的效果，如图5的结果所示。相较现有的双通道吸收器达到了完美吸收的效果。