超窄帶超表面吸收器

(19)國家知識產權局

(12)發明專利申請

(10)申請公布號

CN 115113309 A

(43)申請公布日

2022.09.27

(21)申請號 2.9

(22)申請日 2022.05.24

(71)申請人 黑龍江大學

地址 150000 黑龍江省哈爾濱市南崗區學

府路74號

(72)發明人 高揚 劉暢 張景煜 馮恒利

房冬超 王金成 張作鑫

(74)專利代理機構 哈爾濱華夏松花江知識產權

代理有限公司 23213

專利代理師 岳昕

(51)Int.Cl.

G02B5/00

(2006.01)

G02B1/00

(2006.01)

權利要求書1頁 說明書3頁 附圖4頁

(54)發明名稱

超窄帶超表面吸收器

(57)摘要

本發明超窄帶超表面吸收器涉及納米級超

表面吸收器技術領域；所述超窄帶超表面吸收

器，由多個相同細胞單元陣列組成，每個細胞單

元由基底層、介質層、底層圓環、中層介質圓環、

頂層圓環、底層長方體、中層介質長方體和頂層

長方體組成；所述介質層緊貼于基底層上方，介

質層上設置有由底層圓環和底層長方體組成的

結構；所述底層圓環上依次覆蓋有中層介質圓環

和頂層圓環；所述底層長方體上依次覆蓋有中層

介質長方體和頂層長方體；本發明超窄帶超表面

吸收器結構簡單、夠做在高集成度的情況下同樣

便于加工、吸收效果好、透射峰的帶寬非常窄且

具有更好的選擇性，并且對于非目標波段的光可

以近乎完美透過。

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權 利 要 求 書

1/1頁

1.超窄帶超表面吸收器，由多個相同細胞單元陣列組成，其特征在于，每個細胞單元由

基底層(1)、介質層(2)、底層圓環(3)、中層介質圓環(4)、頂層圓環(5)、底層長方體(6)、中

層介質長方體(7)和頂層長方體(8)組成；

所述介質層(2)緊貼于基底層(1)上方，介質層(2)上設置有由底層圓環(3)和底層長方

體(6)組成的結構；所述底層圓環(3)上依次覆蓋有中層介質圓環(4)和頂層圓環(5)；所述

底層長方體(6)上依次覆蓋有中層介質長方體(7)和頂層長方體(8)。

2.根據權利要求書1所述的超窄帶超表面吸收器，

其特征在于，

底層圓環(3)、中層介質圓環(4)和頂層圓環(5)的結構參數相同；

底層長方體(7)中層介質長方體(7)和頂層長方體(8)的結構參數相同。

3.根據權利要求2所述的超窄帶超表面吸收器，

其特征在于，

y方向的周期Py＝500nm，高度h1＝100nm；在基底層(1)中，x方向的周期Px＝500nm，

在介質層(2)中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h2＝200nm；

在底層圓環(3)、中層介質圓環(4)和頂層圓環(5)中，外圓直徑d1＝100nm，內圓直徑d2

＝20nm，高度h3＝35nm；

在底層長方體(6)、中層介質長方體(7)和頂層長方體(8)中，x方向的寬度Wx＝28nm，y

方向的寬度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

4.根據權利要求書1、2或3所述的超窄帶超表面吸收器，其特征在于，所述基底層(1)為

硅材料，所述介質層(2)為二氧化硅材料，所述底層圓環(3)為銀材料，所述中層介質圓環

(4)為二氧化硅材料，所述頂層圓環(5)為銀材料，所述底層長方體(6)為銀材料，所述中層

介質長方體(7)為二氧化硅材料，所述頂層長方體(8)為銀材料。

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說 明 書

超窄帶超表面吸收器

1/3頁

技術領域

[0001]

本發明超窄帶超表面吸收器涉及納米級超表面吸收器技術領域。

背景技術

[0002]

表面等離子體是金屬表面存在的自由振動的電子和光子相互作用的沿著金屬?介

質?金屬傳播的一種特殊的電磁波，在金屬表面處場強最大，在垂直于界面方向呈指數衰

減，并且具有操控光的功能。

[0003]

超表面窄帶吸收器由于具有非常好的選擇性，成為了近年來非常熱門的研究課

題。但是如何在近紅外波段實現窄帶高吸收是一個難題。目前，為了在近紅外波段實現窄帶

高吸收，往往要設計非常復雜的結構，不利于加工和應用，那么，設計一個結構簡單、易于加

將是本領域的一個發展方向。工的吸收器，

發明內容

[0004]

為了實現上述目的，本發明設計了一種超窄帶超表面吸收器，結構簡單、夠做在高

集成度的情況下同樣便于加工、吸收效果好、透射峰的帶寬非常窄且具有更好的選擇性，并

且對于非目標波段的光可以近乎完美透過。

[0005]

本發明的目的是這樣實現的：

[0006]

超窄帶超表面吸收器，由多個相同細胞單元陣列組成，每個細胞單元由基底層、介

質層、底層圓環、中層介質圓環、頂層圓環、底層長方體、中層介質長方體和頂層長方體組

成；

[0007]

所述介質層緊貼于基底層上方，介質層上設置有由底層圓環和底層長方體組成的

結構；所述底層圓環上依次覆蓋有中層介質圓環和頂層圓環；所述底層長方體上依次覆蓋

有中層介質長方體和頂層長方體。

[0008]

上述超窄帶超表面吸收器，

[0009]

底層圓環、中層介質圓環和頂層圓環的結構參數相同；

[0010]

底層長方體中層介質長方體和頂層長方體的結構參數相同。

[0011]

進一步地，

[0012]

在基底層中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h1＝100nm；

[0013]

在介質層中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h2＝200nm；

[0014]

在底層圓環、中層介質圓環和頂層圓環中，外圓直徑d1＝100nm，內圓直徑d2＝

20nm，高度h3＝35nm；

[0015]

在底層長方體、中層介質長方體和頂層長方體中，x方向的寬度Wx＝28nm，y方向的

寬度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

[0016]

以上超窄帶超表面吸收器，所述基底層為硅材料，所述介質層為二氧化硅材料，所

述底層圓環為銀材料，所述中層介質圓環為二氧化硅材料，所述頂層圓環為銀材料，所述底

層長方體為銀材料，所述中層介質長方體為二氧化硅材料，所述頂層長方體為銀材料。

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[0017]

說 明 書

2/3頁

有益效果：

[0018]

第一、本發明超窄帶超表面吸收器的吸收層，由多個相同細胞單元陣列組成，每個

細胞單元僅由基底層、介質層、底層圓環、中層介質圓環、頂層圓環、底層長方體、中層介質

長方體和頂層長方體八個結構組成，因此具有結構簡單的技術優勢；

[0019]

第二、本發明超窄帶超表面吸收器只用到了硅，二氧化硅和銀三種材料，由于這些

材料為生活中常見材料，成本低廉，因此本發明具有優越的成本優勢；此外，這些材料的加

工技術非常成熟，也使得本發明能夠做到在高集成度的情況下同樣便于加工。

[0020]

第三、本發明超窄帶超表面吸收器的吸收層由三層圓環體(底層圓環、中層介質圓

環和頂層圓環)和三層長方體(底層長方體、中層介質長方體和頂層長方體)構成，這種三層

結構與單層結構相比，因為正好滿足表面等離子體沿著金屬?介質?金屬的傳播條件，所以

吸收效果更好。

[0021]

第四、通過仿真實驗可以知道，本發明超窄帶超表面吸收器，透射峰的帶寬非常窄

且具有更好的選擇性，并且對于非目標波段的光可以近乎完美透過。

附圖說明

[0022]

圖1是本發明超窄帶超表面吸收器的結構示意圖。

[0023]

圖2是本發明超窄帶超表面吸收器每個細胞單元的結構示意圖。

[0024]

圖3是本發明超窄帶超表面吸收器每個細胞單元的參數定義示意圖。

[0025]

圖4為改變x方向的寬度Wx得到的的透射率曲線。

[0026]

圖5為改變y方向的寬度Wy得到的的透射率曲線。

[0027]

圖6為改變x方向的周期Px得到的透射率曲線。

[0028]

圖7為改變y方向的周期Py得到的透射率曲線。

[0029]

圖中：1基底層、2介質層、3底層圓環、4中層介質圓環、5頂層圓環、6底層長方體、 7

中層介質長方體、8頂層長方體。

具體實施方式

[0030]

下面結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細介紹。

[0031]

具體實施方式一

[0032]

該具體實施方式下的超窄帶超表面吸收器，結構示意圖如圖1所示，由多個相同細

胞單元陣列組成，每個細胞單元的結構示意圖如圖2所示，由基底層1、介質層2、底層圓環3、

中層介質圓環4、頂層圓環5、底層長方體6、中層介質長方體7和頂層長方體8組成；

[0033]

所述介質層2緊貼于基底層1上方，介質層2上設置有由底層圓環3和底層長方體6

組成的結構；所述底層圓環3上依次覆蓋有中層介質圓環4和頂層圓環5；所述底層長方體6

上依次覆蓋有中層介質長方體7和頂層長方體8；

[0034]

其中，所述基底層1為硅材料，所述介質層2為二氧化硅材料，所述底層圓環3為銀

材料，所述中層介質圓環4為二氧化硅材料，所述頂層圓環5為銀材料，所述底層長方體6為

銀材料，所述中層介質長方體7為二氧化硅材料，所述頂層長方體8為銀材料；

[0035]

其中，底層圓環3、中層介質圓環4和頂層圓環5的結構參數相同；底層長方體7中層

介質長方體7和頂層長方體8的結構參數相同，參數定義示意圖如圖3所示，具體如下：

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[0036]

說 明 書

3/3頁

在基底層1中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h1＝100nm；

[0037]

在介質層2中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h2＝200nm；

[0038]

在底層圓環3、中層介質圓環4和頂層圓環5中，外圓直徑d1＝100nm，內圓直徑d2＝

20nm，高度h3＝35nm；

[0039]

在底層長方體6、中層介質長方體7和頂層長方體8中，x方向的寬度Wx＝28nm，y方

向的寬度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

[0040]

具體實施方式二

[0041]

該具體實施方式下的超窄帶超表面吸收器，對底層長方體6、中層介質長方體7和

頂層長方體8在不同參數下的性能進行仿真。

[0042]

其中，光源按照從頂層長方體8、中層介質長方體7到底層長方體6的方向入射，并

利用FDTD進行仿真，仿真結果如下：

[0043]

仿真實驗一、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wy＝200nm，Px＝500nm，Py＝500nm不變，底層長方體6、中層介質長方體7和頂層長方

體8 中x方向的寬度Wx以2nm的步長由24nm增加到28nm，得到的透射率曲線如圖4所示，可以

看出，隨著Wx的增加，透射峰發生明顯的紅移。

[0044]

仿真實驗二、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Px＝500nm，Py＝500nm不變，底層長方體6、中層介質長方體7和頂層長方

體8 中y方向的寬度Wy以20nm的步長由200nm增加到240nm，所得到的透射率曲線如圖5所

示，可以看出，隨著Wy的增加，透射峰發生明顯的紅移。

[0045]

至此，制作超窄帶超表面吸收器時，選擇Wx＝28nm，Wy＝200nm。

[0046]

具體實施方式三

[0047]

該具體實施方式下的超窄帶超表面吸收器，對基底層1和介質層2在不同參數下的

性能進行仿真。

[0048]

其中，光源按照從頂層長方體8、中層介質長方體7到底層長方體6的方向入射，并

利用FDTD進行仿真，仿真結果如下：

[0049]

仿真實驗三、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Wy＝200nm不變，基底層1和介質層2中x方向的周期Px以10nm的步長由

480nm 增加到500nm，所得到的透射率曲線如圖6所示，可以看出，隨著Px的增加，透射峰發

生明顯的紅移。

[0050]

仿真實驗四、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Wy＝200nm不變，基底層1和介質層2中y方向的周期Py以10nm的步長由

480nm 增加到500nm，所得到的透射率曲線如圖7所示，可以看出，隨著Py的增加，透射峰發

生明顯的紅移。

[0051]

至此，制作超窄帶超表面吸收器時，選擇Px＝Py＝500nm。

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說 明 書 附 圖

1/4頁

圖1

圖2

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說 明 書 附 圖

2/4頁

圖3

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說 明 書 附 圖

3/4頁

圖4

圖5

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說 明 書 附 圖

4/4頁

圖6

圖7

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