[发明专利]一种三光栅级联结构及基于三光栅级联结构的超宽带吸收器

说明书

本发明涉及一种三光栅级联结构及超宽带吸收器，属于光学器件技术领域。一种三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨。一种基于三光栅级联结构的超宽带吸收器，包括：基底层；铬膜层，其形成于基底层表面；和氮化硅层，其形成于铬膜层上；和石墨烯层，其形成于氮化硅层上；和三光栅级联结构层，其形成于石墨烯层上。发明的吸收器能覆盖的光谱范围更宽，跨越部分紫外光、全部可见光、部分红外线；吸收率高，尤其近红外波段，吸收率达90％以上。

技术领域

本发明涉及一种三光栅级联结构及超宽带吸收器，属于光学器件技术领域。

背景技术

超材料是一类人工复合材料，可通过结构设计实现谐振频率及阻抗匹配，致使工作频率和带宽根据需求任意调控；同时其结构本身深度亚波长尺度，使超材料电磁结构的厚度非常小，可达波长的几十分之一，比传统吸收结构更利于实际应用。自2008年Landy等人采用与自由空间阻抗相匹配法减小反射，使得吸收最大化，研制出第一个宽带吸收器以来，由于其在电磁隐身、热辐射、薄膜太阳能电池、传感器和探测等方面有着非常广泛的应用前景，成为研究的热点；尤其高性能跨频段吸收器，可在不同新领域发挥重大作用而备受青睐。如T.等利用三角槽金光栅设计结构获得500-1500横跨部分可见光和近红外光双频段光谱；(T.Sergey I.Bozhevolnyi.Surface-plasmonpolariton resonances in triangular-groove metal gratings.PHYSICAL REVIEW B80,195407(2009))，该结构吸收频带窄且三角槽制作复杂，角度精确控制难度大。又如Ji等提出一种在银反射镜表面交替堆积金属颗粒和氧化硅薄膜的结构，实现了300–1100nm吸收(Ji Ting,Peng Lining,Zhu Yuntao,et al.Plasmonic Broadband absorber bystacking multiple mentallic nanoparticle layers,Appl.Phys.Lett.106,161107(2015))，此吸收器易于加工，但光谱带宽较窄。再如Dasol等利用底层铬膜和顶层铜光栅之间置二氧化硅的设计结构获得了500-1200nm的可见光到近红外波段的宽带吸收(DasolLee,Sung Yong Han,Yeonggyo Jeong，et al.Polarization-sensitive tunableabsorber in visible and near-infrared regimes.Scientific Reports(2018)8:12393)，该结构吸收带宽较窄，只有700nm。上述方法有的制备复杂、成本高，不利于批量生产；有的结构相对简单，但吸收带宽窄。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的上述不足，提供一种三光栅级联结构，以及基于该三光栅级联结构的超宽带吸收器，该吸收器的吸收覆盖的吸收波段更宽，吸收率高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三光栅级联结构，由三光栅级联单元构成，三光栅级联单元从左到右依次包括金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨。金属钨在紫外到红外波段具有较好的抗反射强透过特性，同时利用紫外到红外波段几乎零反射二氧化硅作为中间介质，构成三光栅级联单元后形成水平腔共振模，腔共振模与光衍射模耦合，致使入射光场均衡透射。

在上述三光栅级联结构中，所述的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度比为3:(1.8-2.5)：(1.5-2.2)。若三光栅宽度比超出该尺寸范围，透射谱光谱范围变窄或透过率降低。

在上述三光栅级联结构中，所述的金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的高度比为3:(7-10)：(5-8)。若三光栅高度比超出该尺寸范围，透射谱光谱范围变窄或透过率降低。

在上述三光栅级联结构中，所述的三光栅级联单元的周期为是金属钨块、二氧化硅介质和条形金属钨的宽度和，总和为900-1120纳米。