本發(fā)明涉及光吸收器技術(shù)領(lǐng)域；具體的說(shuō)，涉及一種主要針對(duì)波長(zhǎng)在400納米至830納米光譜范圍內(nèi)的光進(jìn)行吸收的一種基于齒形結(jié)構(gòu)的光吸收器。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能熱光伏技術(shù)是綠色能源和可再生能源中的一個(gè)重要領(lǐng)域，因此對(duì)太陽(yáng)光的高效寬帶吸收一直備受關(guān)注。利用Salisbury屏可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的完美吸收。Salisbury屏是金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)，但是Salisbury屏一般適用于單頻點(diǎn)，如果想實(shí)現(xiàn)寬頻吸收，必須要做多層結(jié)構(gòu)，給太陽(yáng)能的有效利用帶來(lái)了很大的困難。

為了獲得具有亞波長(zhǎng)厚度的寬頻電磁波吸收器，很多國(guó)家都進(jìn)行過(guò)深入的研究。N.I.Landy等人于2008年在美國(guó)物理快報(bào)上發(fā)表了關(guān)于超材料(metamaterial)電磁波吸收器的論文，并提出制作一種吸收電磁波的吸收器結(jié)構(gòu)；該吸收器具有金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)，工作在微波波段。該超材料電磁波吸收器的結(jié)構(gòu)單元尺寸和厚度都是亞波長(zhǎng)的，與傳統(tǒng)的Salisbury屏相比具有小型化的優(yōu)勢(shì)，但是該吸收器仍然是窄帶的。根據(jù)實(shí)際需要，電磁波吸收器的工作頻率已經(jīng)從微波波段發(fā)展到了太赫茲、紅外和可見(jiàn)光范圍。但是能夠在可見(jiàn)光和近紅外范圍實(shí)現(xiàn)高效吸收的寬帶吸收器的研制工作仍然面臨很多困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于齒形結(jié)構(gòu)的光吸收器。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

基于齒形結(jié)構(gòu)的光吸收器，包含多個(gè)回音壁型吸波單元，回音壁型吸波單元包括：

位于底層的金屬底層，厚度為：t_金屬2；

位于中間層的介質(zhì)層，厚度為t_介質(zhì)；t_介質(zhì)＝60～80nm；

位于表層且金屬材質(zhì)的光耦合層，其厚度為t_金屬1；

t_金屬1：t_介質(zhì)：t_金屬2＝1：(1.5～3)：(4～7.5)；

所述光耦合層呈矩形設(shè)置，且中部設(shè)有矩形的耦合孔；光耦合層的4個(gè)側(cè)面均設(shè)有至少兩個(gè)矩形耦合凹孔，相鄰的兩個(gè)矩形耦合凹孔之間形成凸齒；位于同一側(cè)面的所有矩形耦合凹孔的長(zhǎng)度相等。

本發(fā)明中的回音壁型吸波單元也稱之為超分子(meta-molecule)，每個(gè)齒形結(jié)構(gòu)單元是超原子(meta-atom)，因此本發(fā)明是由包含齒形超原子的回音壁型超分子排列形成的光吸收器。當(dāng)可見(jiàn)光以及近紅外光(400nm～830nm)照射時(shí)，光耦合層的特殊結(jié)構(gòu)使入射光在超分子中產(chǎn)生回音壁模式，即繞著光耦合層的閉合路徑進(jìn)行回轉(zhuǎn)，在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中與齒形結(jié)構(gòu)的超原子(meta-atom)發(fā)生作用，進(jìn)而產(chǎn)生表面等離激元諧振及局域諧振，從而對(duì)入射光產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收作用。另外，金屬底層和金屬材質(zhì)的光耦合層通過(guò)介質(zhì)層隔開(kāi)，光照射時(shí)能產(chǎn)生波導(dǎo)模式和法布里-帕羅模式，也對(duì)該頻譜范圍內(nèi)的光起到吸收作用。

優(yōu)選地，介質(zhì)層，其厚度為60～80nm；金屬底層，其厚度為120～150nm。

光在照射過(guò)程中，沿x方向極化的偏振光的吸收系數(shù)的計(jì)算公式為A_x(ω)＝1-T_xx(ω)-T_yx(ω)-R_xx(ω)-R_yx(ω),其中T_xx(ω)(R_xx(ω))和T_yx(ω)(R_yx(ω))是共極化和交叉極化透射率(反射率)。它們的定義是：T_xx(ω)＝|S_2x1x(ω)|²，T_yx(ω)＝|S_2y1x(ω)|²，R_xx(ω)＝|S_1x1x(ω)|²，R_yx(ω)＝|S_1y1x(ω)|²。S_2i1j和S_1i1j分別表示透射和反射的S參數(shù)，下角標(biāo)i和j(i＝x,y；j＝x,y)代表的是模式j(luò)向模式i的轉(zhuǎn)化。因?yàn)榈酌娴慕饘倌拥暮穸却笥陔姶挪?即可見(jiàn)光、近紅外光)的穿透深度，所以在A_x(ω)的表達(dá)式中T_xx(ω)＝T_yx(ω)＝0。因此對(duì)于對(duì)本技術(shù)方案中的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其吸收系數(shù)的表達(dá)式為A_x(ω)＝1-R_xx(ω)-R_yx(ω)。本技術(shù)方案中的光吸收器具有比較高的吸收能力，當(dāng)光垂直入射時(shí)，對(duì)400納米-830納米波長(zhǎng)范圍的光的平均吸收超過(guò)75％，其中對(duì)波長(zhǎng)在400納米-600納米之間的光的平均吸收在90％以上。

優(yōu)選地，每一側(cè)面的矩形耦合凹孔長(zhǎng)度與矩形耦合凹孔至耦合孔的距離相等。

再進(jìn)一步地，矩形耦合凹孔的長(zhǎng)度與臨近的凸齒的長(zhǎng)度相等。

上述的兩個(gè)微結(jié)構(gòu)特征，可以輔助提高該頻段光與矩形耦合凹孔的耦合效率，提高光吸收率。

進(jìn)一步地，耦合孔呈方形設(shè)置，耦合孔的邊長(zhǎng)a為185～210nm。優(yōu)選地，光耦合層呈方形設(shè)置，介質(zhì)層覆蓋整個(gè)光耦合層。

將光耦合層設(shè)置為方形設(shè)置，根據(jù)仿真結(jié)果，可以有效提高吸收率；優(yōu)選地，介質(zhì)層的尺寸大于光耦合層。

優(yōu)選地，光耦合層的4個(gè)側(cè)面分為兩組，每組兩個(gè)側(cè)面的所有矩形耦合凹孔形狀大小相同，且任意相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面的矩形耦合凹孔長(zhǎng)度不等。

將齒形結(jié)構(gòu)設(shè)置為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在光吸收時(shí)，可產(chǎn)生非對(duì)稱的耦合，提高吸收效率。

優(yōu)選地，矩形耦合凹孔的長(zhǎng)度和寬度之和為60～95nm。

優(yōu)選地，其中一組矩形耦合凹孔的長(zhǎng)度為50～70nm；寬度為10～30nm；另一組矩形耦合凹孔的長(zhǎng)度為30～45nm，寬度為30～45nm。

當(dāng)矩形耦合凹孔為上述尺寸范圍時(shí)，可進(jìn)一步地增加光吸收效果。

優(yōu)選地，包括多個(gè)回音壁型吸波單元，回音壁型吸波單元呈陣列排列且位于同一平面?；匾舯谛臀▎卧騲、y方向進(jìn)行周期延拓，即可得到齒形結(jié)構(gòu)的光吸收器。

本申請(qǐng)中的方形均為正方形。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明結(jié)構(gòu)可有效對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光進(jìn)行吸收。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中的一個(gè)回音壁型吸波單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

表層部分是由四組齒形結(jié)構(gòu)(即四個(gè)齒形超原子)級(jí)聯(lián)而成的正方形結(jié)構(gòu)，由金屬銀制作而成，中間層部分是熔融石英，底層部分是連續(xù)的銀膜層。

圖3為本發(fā)明中的一個(gè)回音壁型吸波單元的光耦合層示意圖。

圖中g(shù)1、g2、g3和g4是齒形超原子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，表示銀金屬條或空氣縫隙的寬度。g1的值在50納米到70納米之間，g2和g3的值都在30納米到45納米之間，g4的值在10到30納米之間。內(nèi)部正方形孔的邊長(zhǎng)a的取值范圍是185納米至210納米。光耦合層的邊長(zhǎng)L的取值范圍是330納米至360納米。P為一個(gè)回音壁型吸波單元的邊長(zhǎng)，或稱之為一個(gè)回音壁型吸波單元的周期，P的取值范圍是370納米至400納米。

圖4為本發(fā)明對(duì)垂直入射的x方向偏振光的吸收頻譜圖(Ax)。

Ryx是由于該吸收器結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性導(dǎo)致的交叉極化反射率。

圖5為本發(fā)明對(duì)偏振角從0度變化到90度的垂直入射光的吸收頻譜圖。

圖6為本發(fā)明對(duì)橫電(TE)波斜入射時(shí)的吸收頻譜圖。

圖7為本發(fā)明對(duì)橫磁(TM)波斜入射時(shí)的吸收頻譜圖。

圖8為本發(fā)明隨參數(shù)g1變化時(shí)對(duì)垂直入射的x方向偏振光的吸收頻譜圖。

圖9為本發(fā)明隨參數(shù)g2變化時(shí)對(duì)垂直入射的x方向偏振光的吸收頻譜圖。

圖10為本發(fā)明隨介質(zhì)層的厚度變化時(shí)對(duì)垂直入射的x方向偏振光的吸收頻譜圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1——光耦合層；11——矩形耦合凹孔；12——凸齒；13——耦合孔；2——介質(zhì)層；3——金屬底層；100——回音壁型吸波單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說(shuō)明。

實(shí)施例：請(qǐng)參閱附圖1至附圖10。本發(fā)明為基于齒形結(jié)構(gòu)的寬帶超材料可見(jiàn)光和近紅外光吸收器。其包括陣列排列且位于同一平面的多個(gè)回音壁型吸波單元100(參見(jiàn)圖1)，回音壁型吸波單元100向x、y方向進(jìn)行周期延拓，即可得到本實(shí)施例齒形結(jié)構(gòu)的光吸收器。每一回音壁型吸波單元100的結(jié)構(gòu)為3層，分別為：位于底層的金屬底層3，其厚度t_金屬2為120～150nm；位于中間層的介質(zhì)層2，其厚度t_介質(zhì)為60～80nm；位于表層且金屬材質(zhì)的光耦合層1，其厚度t_金屬1為20～40nm；其中，金屬底層3、光耦合層1均可采用金屬銀制作，呈矩形設(shè)置優(yōu)選為方形；當(dāng)然也可以采用其他金屬，如銅、金等，優(yōu)選為高導(dǎo)熱、導(dǎo)電金屬體，如金屬銀。金屬底層3和光耦合層1材質(zhì)可相同也可不同。所述光耦合層1中部設(shè)有矩形的耦合孔13，優(yōu)選為方形孔，邊長(zhǎng)a為185～210nm；光耦合層1的4個(gè)側(cè)面均設(shè)有至少兩個(gè)矩形耦合凹孔11，本實(shí)施例中設(shè)置兩個(gè)矩形耦合凹孔11，相鄰的兩個(gè)矩形耦合凹孔11之間形成凸齒12；位于同一側(cè)面的所有矩形耦合凹孔11的長(zhǎng)度相等；且每一側(cè)面的矩形耦合凹孔11的長(zhǎng)度與矩形耦合凹孔11至耦合孔13的距離相等，參見(jiàn)圖3。

本實(shí)施例中，金屬底層、光耦合層均采用金屬銀材質(zhì)，因此在附圖中采用t_銀1替代t_金屬1，t_銀2替代t_金屬2。

在仿真過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)t_介質(zhì)，t_銀1，t_銀2，三個(gè)參數(shù)中，對(duì)吸收率影響較大的是t_介質(zhì)；其他兩個(gè)參數(shù)對(duì)吸收率影響相對(duì)較小，t_銀2的值在大于電磁波在金屬中的穿透深度后就基本沒(méi)有影響了，t_銀1對(duì)吸收率的影響率低于10％，這里主要針對(duì)矩形凹孔的不同尺寸和介質(zhì)層厚度的變化進(jìn)行研究分析；在t_銀1＝30nm，t_銀2＝150nm，當(dāng)x方向偏振光垂直入射時(shí)(x方向偏振光即入射光的電場(chǎng)方向平行于圖1中的x軸)，獲得以下結(jié)果：

表中長(zhǎng)度單位均為nm；光吸收率數(shù)值為：當(dāng)光垂直入射時(shí)的光吸收率。

優(yōu)選地，金屬底層3厚度為150nm，中間介質(zhì)層2厚度為70nm，光耦合層1厚度為30nm，凹形孔尺寸中，g1＝60nm；g2＝40nm；g3＝40nm；g4＝20nm；a＝200nm；L＝360nm；P＝400nm。針對(duì)上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真計(jì)算得到的該光吸收器對(duì)垂直入射的x方向偏振光的吸收頻譜圖見(jiàn)圖4。從圖4可以看出本發(fā)明對(duì)x方向偏振光的吸收率Ax在400納米-830納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均值大于75％。尤其是在400納米-600納米之間，Ax的平均值大于90％。優(yōu)選地，光耦合層1的4個(gè)側(cè)面分為兩組，每組兩個(gè)側(cè)面的所有矩形耦合凹孔11形狀大小相同，且任意相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面的矩形耦合凹孔11長(zhǎng)度不等。由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，所以反射光存在交叉極化(cross-polarization)現(xiàn)象。交叉極化率Ryx的最大值為4.9％。從圖5可以看出當(dāng)垂直入射光的偏振角從0度變化到90度時(shí)，吸收率的變化比較小。圖6給出的是橫電波斜入射時(shí)的吸收頻譜圖，入射角為50度時(shí)，本發(fā)明在400到830納米之間的平均吸收仍然大于60％。當(dāng)入射角繼續(xù)增大到70度時(shí)，本發(fā)明在400到830納米之間的平均吸收約為40％。圖7給出的是橫磁波斜入射時(shí)的吸收頻譜圖，本發(fā)明對(duì)于橫磁波的吸收效果好于對(duì)橫電波的吸收，隨著入射角的增大，吸收器的帶寬逐漸增加，入射角大于40度后吸波的波長(zhǎng)范圍是400納米到1100納米左右。當(dāng)橫磁波的入射角達(dá)到70度時(shí)，本發(fā)明在400到1100納米之間的平均吸收大于50％。

從圖8和圖9可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)齒形超原子的結(jié)構(gòu)參數(shù)g1和g2我們可以控制該發(fā)明的吸收電磁波的頻率范圍，這給該發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用提供了很大的便利性，我們可以根據(jù)實(shí)際需要，在不改變其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)g1和g2來(lái)滿足我們的實(shí)際需求。

針對(duì)上述優(yōu)選數(shù)據(jù)：金屬底層3厚度為150nm，光耦合層1厚度為30nm，凹形孔尺寸中，g1＝60nm；g2＝40nm；g3＝40nm；g4＝20nm；a＝200nm；L＝360nm；P＝400nm。當(dāng)中間介質(zhì)層2的厚度變化時(shí)，得到圖10所示的結(jié)果。根據(jù)圖10，在不改變其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，我們也可以只調(diào)節(jié)介質(zhì)層2的厚度，來(lái)滿足我們的實(shí)際需求。

以上僅是本申請(qǐng)的較佳實(shí)施例，在此基礎(chǔ)上的等同技術(shù)方案仍落入申請(qǐng)保護(hù)范圍。