[发明专利]基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法

说明书

本申请公开基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器及制备方法。该可见光宽带完美吸收器，包括：基底，所述基底自下而上依次层叠设置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层，基于等效光学导纳等于空气的原理，实现了零反射率的效果，高反射金属膜层使得透过率为零，从而使可见光宽带完美吸收器实现覆盖可见光波段的“完美吸收”，该光完美吸收器在可见光波段可以实现超过99％的吸收率，且对于入射角度和光的偏振性不敏感，结构工艺简单、成品率高，适用于大面积制备。

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种用于可见光波段的平面多层陷光结构及制备方法,具体涉及一种基于过渡金属超薄膜的可见光宽带完美吸收器及其制备方法。

背景技术

高性能的光学吸收器具有广阔的应用场景，吸收器根据其吸收光的波段不同可以应用于诸多领域，如通讯、探测、太阳能收集、隐身、目标识别等。

目前常见的吸收器主要有法布里-珀罗谐振腔吸收器以及超材料吸收器，法布里-珀罗谐振腔吸收器是基于金属-电介质-金属(MIM)的谐振腔结构构建的，两个金属反射层由无损介质层间隔开。常规的法布里-珀罗型吸收器至少具有四分之一波长的厚度，这会限制其在较长波长下的应用前景，并且该结构的吸收器具有较大的角度依赖性。尽管可以将顶层高损耗层替换为亚波长大小的图案化结构，这种超材料吸收器可以极大地减小薄膜厚度，但需要光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制。如何有效抑制反射是实现完美吸收光的关键。

现有的一些宽带吸收器吸收往往只有一种共振波长，吸收带较窄。此外，这些吸收器体系存在一些缺陷，如吸收带窄、吸收效率低、结构复杂、厚度过高和需要光刻技术等。因而设计并实现宽带范围的完美吸收并能够通过简易的制备方式实现大面积批量生产成为了研究热点。

发明内容

为解决吸收带窄、吸收效率低、结构复杂的缺陷，本申请的目的在于：提出一种对入射角度不敏感的可见光波段的宽带完美吸收器，该宽带完美吸收器具有性能好，结构简单，可大面积制备的优点。

为实现上述目标本申请采用如下的技术方案：

基于过渡金属膜层的可见光宽带完美吸收器，包括：基底，以及在基底上设置的平面多层结构，平面多层结构自下而上依次配置有：高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层；所述的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值。

所述平面多层结构各层的材料和厚度由文化基因算法确定。

上述方案的工作原理为：

本发明中高反射金属膜层实现了半无限金属基底的作用，因此光不会穿透高反射金属膜层下方的基底，即吸收器的透射率T＝0；在短波长处，高反射金属膜层吸收了部分光，当波长较长时，入射光完全被过渡金属膜层吸收，而透明电介质中间层和透明电介质顶层在可见光波段基本无吸收；本发明中的平面多层结构的等效光学导纳等于空气的光学导纳值，实现了整个可见光波段的阻抗匹配，降低了多层结构的反射率(最优结构为零反射)，即吸收器的反射率R＝0。由吸收器的吸收率公式A＝1-R-T可知本发明中的吸收器实现了完美吸收的效果。通过对吸收器内部电场的仿真模拟进一步探究其内在机理(见附图3)，可以发现在入射光波长从400nm逐渐增加到800nm的过程中，完美吸收器中高反射金属膜层、透明电介质中间层、过渡金属膜层及透明电介质顶层各个层级的吸收分布及主要光吸收材料之间的过渡情况。