一种可频谱分辨的红外吸收器

技术领域

本发明涉及电磁波吸收技术领域，尤其涉及一种可频谱分辨的红外吸收器。

背景技术

金属-介质-金属基等离子超材料完美吸收器(Metal-Insulator-Metal-basedPlasmonic Metamaterial PerfectAbsorbers，以下简称MPA)由顶部周期性金属微贴片、中间介质层和底部反射层组成，底层反射层可由不透光金属制得，以有效阻止光的传输，使得光的透过率为0。而顶部金属微贴片通过合理的设计，并通过调整器件结构单元的形状、尺寸或排列方式，或者通过选取不同的中间介质层材料，可使得在某一波长范围内光的反射率(R)和光透射率(T)均趋近于0，从而可实现接近100％的吸光度(A＝1-R-T)，因此，便可以获得在各个频段内的单波长窄带、多个波长或者宽带的完美吸收，以在可见光和红外(IR)波长区域有着广泛的应用，例如在太阳能电池、折射率传感器、光学伪装、隐形、光学开关、彩色像素、热红外传感器、红外显微镜和气体传感等方向有着极大的潜力，也因此倍受科研工作者们的关注。

常温下物体的热辐射光谱主要集中于长波红外波段，目前常见的红外相机也主要是长波红外相机，相比于可见光波段相机(400-760nm)，红外相机的波段范围较宽，而很多的MPA因原理受限，其工作范围很窄，甚至有些只能在特定频率才能实现近完全吸收，这对于波段较宽的长波红外就更限制。因此，很多科研工作者便设计出具有较宽带的MPA，这同时却也丧失了一定的频谱分辨性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可频谱分辨的红外吸收器，以对不同波长的光同时进行分辨，且具有多波长红外吸收功能。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种可频谱分辨的红外吸收器，包括由上至下依序设置的顶部金属贴片层、中间介质层及底部金属反射层，所述顶部金属贴片层包括多个贴片单元结构，每一所述贴片单元结构包括至少四个不同尺寸的金属微贴片，每一所述贴片单元结构的所述金属微贴片根据长度乱序排列，相邻两个所述金属微贴片之间间隔设置。

其进一步技术方案为：所述金属微贴片呈长条状，同一所述贴片单元结构中的所有金属微贴片平行并列设置。

其进一步技术方案为：所述贴片单元结构包括五个不同尺寸的所述金属微贴片，由短到长分别为第一金属微贴片、第二金属微贴片、第三金属微贴片、第四金属微贴片和第五金属微贴片，所述第一金属微贴片、所述第三金属微贴片、所述第五金属微贴片、所述第四金属微贴片和所述第二金属微贴片由前至后依序排列形成所述贴片单元结构。

其进一步技术方案为：所述第一金属微贴片的长为1050nm，所述第一金属微贴片的宽为250nm，所述第二金属微贴片的长为1350nm，所述第二金属微贴片的宽为150nm，所述第三金属微贴片的长为1650nm，所述第三金属微贴片的宽为150nm，所述第四金属微贴片的长为2000nm，所述第四金属微贴片的宽为250nm，所述第五金属微贴片的长为2450nm，所述第五金属微贴片的宽为250nm。

其进一步技术方案为：所述顶部金属贴片层及所述底部金属反射层的材料均为Au、Al、Ag、Ti、Fe或Cu。

其进一步技术方案为：所述中间介质层的材料为SiO

其进一步技术方案为：所述中间介质层的厚度为100～500nm。

其进一步技术方案为：所述金属微贴片及所述底部金属反射层的厚度均大于50nm。

其进一步技术方案为：所述贴片单元结构呈正方形，所述贴片单元结构的边长的取值范围为3～4μm。

本发明的有益技术效果在于：本发明一种可频谱分辨的红外吸收器通过在顶部金属贴片层的贴片单元结构中设置至少四个不同尺寸并间隔设置金属微贴片，以使整个贴片单元结构紧凑化，且贴片单元结构的金属微贴片之间根据长度的大小乱序排列，以使响应波长接近的金属微贴片之间尽量远离，以减少金属微贴片之间的耦合串扰，避免由于实际生产制造中的误差导致的无法确保极窄的吸收峰宽的问题，更好地对各金属微贴片对应的不同波长同时进行分辨，实现频谱分辨，无需额外的滤光片，结构简单，易于制备，且单个贴片单元结构中设置不同尺寸的金属微贴片，以可进行多种波长的红外吸收，从而实现较宽波段的红外吸收功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的单个谐振腔组合单元的主视图；

图3为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的单个谐振腔组合单元的侧视图；

图4为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的单个谐振腔组合单元的吸收率曲线图；

图5为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的不同长度的金属微贴片的吸收率曲线图。

图中标识说明：10、可频谱分辨的红外吸收器；11、顶部金属贴片层；111、贴片单元结构；1111、第一金属微贴片；1112、第二金属微贴片；1113、第三金属微贴片；1114、第四金属微贴片；1115、第五金属微贴片；12、中间介质层；13、底部金属反射层；14、谐振腔组合单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的结构示意图，所述可频谱分辨的红外吸收器10包括由上至下依序设置的顶部金属贴片层11、中间介质层12及底部金属反射层13，所述顶部金属贴片层11包括多个贴片单元结构111，每一所述贴片单元结构111包括五个不同尺寸的金属微贴片，每一所述贴片单元结构111的所述金属微贴片根据长度乱序排列，相邻两个所述金属微贴片之间间隔设置。

其中，同一可频谱分辨的红外吸收器10中各贴片单元结构111的结构和图案相同，且间隔呈阵列形式排布于中间介质层12的上表面，底部金属反射层13设于中间介质层12的下表面。顶部金属贴片层11设置在顶面以便调整金属微贴片的长度和宽度，从而调整对应的响应波长。在制备过程中可通过电子束曝光、紫外光刻或纳米压印的方式实现顶部金属贴片层11的结构的图案化，中间介质层12及底部金属反射层13均采用沉积方法制得，沉积方法包括磁控溅射法、真空电子束蒸发沉积法、离子束溅射沉积或原子层沉积法。优选地，在本实施例中，采用电子束曝光的方式实现顶部金属贴片层11的结构的图案化，以提高生产精度且制作方便；中间介质层12及底部金属反射层13均采用真空电子束蒸发沉积法制得，以提高生产精度及效率。每一贴片单元结构111中不同尺寸的金属微贴片与该金属微贴片对应的中间介质层区域及底部金属反射层区域之间组合形成不同的等离子体谐振腔，以对电磁波进行选择性吸收。每一贴片单元结构111的各金属微贴片对应的等离子体谐振腔组成一谐振腔组合单元14，谐振腔组合单元14与贴片单元结构111一一对应。每个等离子体谐振腔只对其对应的金属微贴片的吸收波长的红外进行响应，则每个等离子体谐振腔对应一个工作模式，从而使得每一谐振腔组合单元14具有多个工作模式，提高对探测光的利用效率。所述可频谱分辨的红外吸收器10包括多个谐振腔组合单元14。可通过改变金属微贴片的长度以单独调整每个等离子体谐振腔的响应波长，而同一贴片单元结构111中的金属微贴片根据长度乱序排列，即同一贴片单元结构111中的金属微贴片不完全按照长度的大小顺序进行排列，则可在减少金属微贴片的耦合串扰的同时调整响应波长以提高频谱分辨能力。相较于传统的宽波段红外吸收器，所述可频谱分辨的红外吸收器10可将较宽波段的红外光强信息细分成多个较窄波段的光强信息，对应的响应波长各不相同，且耦合干扰低以可明显区分辨别，实现了既具有较宽波段的吸收能力又可频谱分辨。同时，不同的响应波长的金属微贴片处于同一贴片单元结构111，可增大对吸收器的像素空间、探测时间和探测光强的利用率。当然，在一些实施例中，每个贴片单元结构111可包括四个或四个以上不同尺寸的金属微贴片。所述可频谱分辨的红外吸收器10通过在顶部金属贴片层11的贴片单元结构111中设置至少四个不同尺寸并间隔设置金属微贴片，以使整个贴片单元结构111紧凑化，且贴片单元结构111的金属微贴片之间根据长度乱序排列，以使响应波长接近的金属微贴片之间尽量远离，以减少金属微贴片之间的耦合串扰，避免由于实际生产制造中的误差导致的无法确保极窄的吸收峰宽的问题，可更好地对各金属微贴片对应的不同响应波长进行分辨，实现频谱分辨，无需额外的滤光片，结构简单，易于制备，且单个贴片单元结构111中设置不同尺寸的金属微贴片，以可进行多种波长的红外吸收，从而实现较宽波段的红外吸收功能。

具体地，所述顶部金属贴片层11及所述底部金属反射层13的材料均为Au，具有较好的稳定性。当然，在其他实施例中，所述顶部金属贴片层11及所述底部金属反射层13的材料还可为Al、Ag、Ti、Fe或Cu。

具体地，所述金属微贴片及所述底部金属反射层13的厚度均大于50nm。在本实施例中，所述金属微贴片及所述底部金属反射层13的厚度均为50nm。所述金属微贴片及所述底部金属反射层13的厚度无需一致。

具体地，在本实施例中，所述中间介质层12的材料为SiO

具体地，所述中间介质层12的厚度为100～500nm。可通过改变中间介质层12的厚度灵活操纵Q因子。其中，Q因子即品质与因子，为接收端分辨电平信号和噪声的比值(即在最佳采样点时分辨电路的信噪比)，在光谱图中，Q因子高的峰窄而尖，Q因子低的峰宽而缓。在本实施例中，中间介质层12的厚度为260nm，相应地，Q因子为17～22，确保吸收器明显的频率分辨选择特性。

具体地，在本实施例中，所述金属微贴片呈长条状，同一所述贴片单元结构111中的所有金属微贴片平行并列设置。

具体地，所述贴片单元结构111呈正方形，所述贴片单元结构111的边长的取值范围为3～4μm。其中，在本实施例中，贴片单元结构111的边长为3μm，3μm为单个贴片单元结构111的最小周期尺寸，以避免贴片单元结构111产生模式串扰。单个贴片单元结构111对应的谐振腔组合单元14的最短响应波长为4μm。当然，在一些实施例，贴片单元结构111的整体尺寸可稍微略大于其对应的谐振腔组合单元14的最短响应波长，但不能远大于其对应的谐振腔组合单元14的响应波长。

具体地，在本实施例中，所述贴片单元结构111的五个不同尺寸的金属微贴片由短到长分别为第一金属微贴片1111、第二金属微贴片1112、第三金属微贴片1113、第四金属微贴片1114和第五金属微贴片1115，其中，所述第一金属微贴片1111、所述第三金属微贴片1113、所述第五金属微贴片1115、所述第四金属微贴片1114和所述第二金属微贴片1112由前至后依序排列形成所述贴片单元结构111。

具体地，所述第一金属微贴片1111的长为1050nm，所述第一金属微贴片1111的宽为250nm，所述第二金属微贴片1112的长为1350nm，所述第二金属微贴片1112的宽为150nm，所述第三金属微贴片1113的长为1650nm，所述第三金属微贴片1113的宽为150nm，所述第四金属微贴片1114的长为2000nm，所述第四金属微贴片1114的宽为250nm，所述第五金属微贴片1115的长为2450nm，所述第五金属微贴片1115的宽为250nm，由于所述第一金属微贴片1111、所述第三金属微贴片1113、所述第五金属微贴片1115、所述第四金属微贴片1114和所述第二金属微贴片1112由前至后依序排列形成所述贴片单元结构111，则长度较为接近的金属微贴片均间隔较远，相邻的金属微贴片的长度差值较大，以避免金属微贴片之间发生耦合串扰。

具体地，在本实施例中，所述可频谱分辨的红外吸收器10的单个谐振腔组合单元14的探测响应波段在3.3～7.5μm。

请参照图4，图4展示了本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的单个谐振腔组合单元的吸收率曲线图，如图4所示，吸收率曲线分别在3.7μm、4.4μm、5.1μm、6.0μm和6.9μm处得到高于90％的吸收峰，分别对应第一金属微贴片、第二金属微贴片、第三金属微贴片、第四金属微贴片和第五金属微贴片，且相邻的吸收峰之间出现低于30％的吸收凹点，吸收较差，体现了金属微贴片间的耦合干扰较少，各金属微贴片的响应波段的吸收率相差较大，具有明显的分辨频谱的特性，而各金属微贴片根据波长拼接组合形成了较宽的吸收波段，从而使得单个谐振腔组合单元可实现既能频谱分辨又具有较宽的吸收波段。

请参阅图5，图5展示了本发明实施例提供的可频谱分辨的红外吸收器的不同长度的金属微贴片的吸收率曲线图，如图5所示，仅调整金属微贴片的长度就可以实现对响应波长的调整，可设置50nm为最小调整浮动，当然，在一些实施例中，可根据需求以任意纳米长度进行调整以获取所需的响应波长。如图5所示，吸收率曲线基本根据对应的响应波长进行平移，则调整过程中，吸收率曲线的形状并未发生明显变化，整个等离子体谐振腔的稳定性强。

综上所述，本发明一种可频谱分辨的红外吸收器通过在顶部金属贴片层的贴片单元结构中设置至少四个不同尺寸并间隔设置金属微贴片，以使整个贴片单元结构紧凑化，且贴片单元结构的金属微贴片之间根据长度大小乱序排列，以使响应波长接近的金属微贴片之间尽量远离，以减少金属微贴片之间的耦合串扰，避免由于实际生产制造中的误差导致的无法确保极窄的吸收峰宽的问题，更好地对各金属微贴片对应的不同波长进行分辨，实现频谱分辨，无需额外的滤光片，结构简单，易于制备，且单个贴片单元结构中设置不同尺寸的金属微贴片，以可进行多种波长的红外吸收，从而实现较宽波段的红外吸收功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。