[发明专利]TE偏振光谱选择性吸收器

说明书

技术领域

本发明涉及光谱选择性吸收器，特别是一种用于可见光波段的TE偏振(电场矢量的振动方向垂直于入射面)光谱选择性吸收器。

背景技术

为了实现理想的光谱选择性吸收，人们已经提出了许多方法，比如说金属纳米粒子，超材料等等。在这些所提出的纳米结构中，一维光栅结构作为一种重要的并且结构简单的器件，可以用来增强吸收。与其它复杂结构的超材料相比，光栅基器件的主要优点是它的设计和制作都更加容易。通过优化，在谐振波长处可以实现近100%的完美吸收。基于光栅结构的光谱选择性吸收器的结构紧凑，在宽的入射角范围内具有很好的光学性能，因此，其作为新型的吸收器件具有广泛的应用前景。

C.Wu等人提出了一种简单的光栅基器件，可以用来实现近红外波段的超薄、宽角完美的吸收，该光栅基器件在谐振波长处可以实现近100%的吸收，并且在0～45°的入射角范围内对P偏振的吸收高于95%，S偏振的吸收高于90%【参见在先技术1：C.Wu et al.,Proc.SPIE7029,Metamaterials:Fundamentals and Applications,70290W(2008)】。之后，C.Wu等人又理论设计并且实验验证了一种简单的光栅基超材料宽角等离子体吸收器，其具有窄带光谱选择性吸收/辐射特性，可以用做亚衍射尺寸的红外像素【参见在先技术2：C.Wu et al.,Physical Review B84,075102(2011)】。J.A.Mason等人设计了一种用于中红外波段的光栅基超材料吸收器，具有极高的选择性和大的角度无关性（可以用于0-45°的入射角）【参见在先技术3：J.A.Mason et al.,Applied Physics Letters98,241105-241103(2011)】。M.Diem等人设计了一个完美的吸收/热辐射器件，在谐振波长处的峰值吸收为99.99%并且可以在很大的入射角范围内保持极高的吸收，除了一个较小的中心频率移动【参见在先技4:M.Diem et al.,Physical Review B79,033101(2009)】。尽管如此，到目前为止，基于光栅结构的选择性吸收器主要为TM偏振并且工作于红外波段。这是因为对TM偏振，可以通过超薄光栅结构来获得完美的选择性吸收，而超薄光栅结构的优点是其具有更大的角度无关性，特别是在红外区域（由于长波区域有着更大的波长-结构尺寸比）。

矩形光栅是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【参见在先技术5：M.G.Moharam et al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。但据我们所知，到目前为止，还没有人针对可见光波段给出在熔融石英衬底上制作的基于光栅结构的TE偏振光谱选择性吸收器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器。该选择性吸收器当TE偏振光在-15度～15度范围内入射时，在中心波长561纳米附近一个较窄波段范围内的入射光将被吸收，随着结构参数和入射角度的变化，吸收光谱会发生较小的频移，峰值吸收波长会随之发生较小的频移，但是在各峰值波长处可始终保持近100%的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于20纳米。因此，该光谱选择性吸收器具有重要的实用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于可见光波段的TE偏振光谱选择性吸收器，特点在于其构成是在熔融石英片上依次蒸镀的银膜、熔融石英隔离层和银层，该银层刻出光栅，该光栅的周期、占空比和厚度分别为310～314纳米、0.35～0.37、216～220纳米，所述的熔融石英隔离层的膜厚为103～107纳米，所述的银膜的厚度大于100纳米。

所述的光栅的周期、占空比和厚度分别为312纳米、0.36和218纳米，中间电介质隔离层的膜厚为105纳米。

本发明的技术效果如下：

特别是当吸收器的顶部光栅周期、占空比和厚度分别为312纳米、0.36和218纳米，中间电介质隔离层的膜厚为105纳米时，当400-800nm波段的TE偏振光在-15度～15度的范围内入射到该光栅时，在中心波长561纳米附近一个较窄波段范围内的入射光将被吸收，在中心波长处的吸收率近似为100%，吸收谱线的半高全宽为18nm。