[发明专利]基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子激元谐振腔技术领域，特别是涉及一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

背景技术

金属通常被用作高效率的反射器。但是微纳米结构的金属表面却可以在很大的电磁波范围内（从可见光，红外到微波）变成为高效率的吸收体。这在过去的几年内激起了巨大的兴趣。在2008年，Landry et al提出并证实了一种几乎完全吸收的超材料结构。它由两个超材料共振腔构成。但是，在实际应用中它有一个显著的障碍，由基底分隔的两个平行面上的结构不相同，一面是电环共振腔，另一面是一条切片。在2009年Hu et al通过压波长孔阵列和厚金属层实现了在可见频域的近完美吸收，在642.7nm和486.4nm处可同时观察到两个尖锐的窄带吸收峰。在2010年，Hao et al对光学频率下超薄广角度亚波长超材料吸收体做了实验报道。实验结果显示，在1.58μm波长附近出现半值全宽为0.25μm吸收率为88%的窄带吸收峰。Liu et al也做了类似的研究，在正入射下，1.6μm波长处出现一个半值全宽为0.17μm吸收率为99%的与偏振无关的吸收峰，在宽角度入射范围内，吸收峰依旧保持很高。Liu et al在2010年提出并验证了一种空间和频率可选择的近完美吸收超材料，这种超材料用到了由Al₂O₃分隔的十字金属阵列和金属基底构成的共振腔。他们在实验上做出了一个红外范围内6μm附近处吸收率为97%半值全宽为～1um空间依赖的吸收体。最近，Mao et al提出了一种类似的结构用于多色红外探测的等离激元吸收体。

上面提到的超材料吸收体由于电磁共振结构的线宽度限制获得的都是窄的光谱带宽。然而在很多应用中，需要在宽的光谱波带上有完美吸收。在2009年Hu et al提出了一种利用混合激元耦合拓宽可见频域内近完美吸收带宽的方法。在其中，金属层中有不同大小的矩形孔周期性的交替排列，可观察到半值全宽为～60nm的近完美吸收。Koechilin提出了一种拓宽吸收带宽的方法，在同一个亚波长周期内融入两个不同宽度的金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器。两个金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器的结合得到了吸收率90%带宽0.7μm的吸收峰，与单个金属-绝缘体-金属等离子激元谐振器0.2μm的带宽相比，实现了三倍以上的拓宽。Hendrickson提出了一种复用等离子激元金属结构的中红外宽带近完美吸收体，这种复用结构的红外吸收体在3.2-3.7μm范围内0.5μm的带宽上吸收了98%的入射光，比中红外波段其它通常无复用的结构宽一点。在2012年，Bouchon进一步提出了在同一亚波长周期内拼放四个不同宽度的金属-绝缘体-金属共振腔实现宽波带全方位的吸收。但是这种结构在8.5μm波长处2.5μm波带范围内仅吸收了70%的入射光，这是因为波带和吸收率的相互制约，使得在工作波长范围内的出现了大的波动。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于纳米压印技术的周期式啁啾结构等离子激元光谱吸收装置，所述装置包括基底、依次位于基底上的第一金属层、绝缘体层和第二金属层，所述第一金属层、绝缘体层和第二金属层构成若干等离子谐振腔，所述等离子激元光谱吸收装置具有若干基于纳米压印技术压印而成的压缩腔，压缩腔之间形成有若干光栅结构，所述光栅周期至少在沿X方向或Z方向或同时两个方向上是线性啁啾的。

作为本发明的进一步改进，所述压缩腔的压印深度小于第一金属层、绝缘体层和第二金属层的厚度之和。

作为本发明的进一步改进，所述各个光栅宽度在沿X方向或Z方向或同时两个方向上满足线性啁啾关系：

Λ_i=Λ₀(1+C_g*i),i=1,2,3,···，

其中，Λ₀代表第一个光栅的宽度，Λ₀取值范围为0.2～1.0μm，C_g代表啁啾系数，C_g取值范围为0.01～0.1，i代表第i个光栅，Λ_i代表第i个光栅的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述第二金属层的厚度大于第一金属层的厚度。