【摘 要】
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光学近完美吸收器在等离激元超材料领域已取得了巨大进展,从无线电到光学的各波段下都有相应的应用。其中,中远红外(MF-IR)区域(8~14μm)是电磁波段中具有高透明度的大气窗口波段。可覆盖该区域的宽带,近完美吸收器件在热成像技术、热红外光源、光电检测和辐射热测定等领域的应用潜力巨大。随着等离激元超材料技术的不断发展,宽带红外近完美吸收器(Broadband Infrared Near-Perfec
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光学近完美吸收器在等离激元超材料领域已取得了巨大进展,从无线电到光学的各波段下都有相应的应用。其中,中远红外(MF-IR)区域(8~14μm)是电磁波段中具有高透明度的大气窗口波段。可覆盖该区域的宽带,近完美吸收器件在热成像技术、热红外光源、光电检测和辐射热测定等领域的应用潜力巨大。随着等离激元超材料技术的不断发展,宽带红外近完美吸收器(Broadband Infrared Near-Perfect Absorber,BIPA)已成为实现相关应用的重要技术途径。尽管利用等离激元超材料的设计原理,可使微纳米尺寸的金属表面上产生局部表面等离激元共振,很容易获得单频带或多频带的近完美吸收,但由于表面等离激元固有的窄带宽,会在工作波段产生高Q(品质因子)的窄带吸收谱线。因此,实现宽带红外近完美吸收仍具有很大的挑战,拓宽吸收器的吸收带宽已成为实现广泛应用的关键目标。本文在理论和实验上开发了一种高效的BIPA,用于MF-IR光的吸收,吸收器单元结构是由在氮化硅/金(Si3N4/Au)双层膜结构顶部放置两对圆形电介质(Si3N4)-金属(Au)叠层超表面组成的。在吸收器单元中,Au圆柱体和底部Au膜充当反射镜,而Si3N4介电层作为金属-介电材料-金属(MDM)叠层结构的间隔。宽带的高吸收率原理是与超材料的周期密切相关的传播表面等离子体共振(PSPR)和由不同介电厚度的MDM腔结构支持的多间隙磁激元共振(MPR)的多模式共振耦合。其吸收率在波长8~14μm的整个大气窗口范围内高于80%,并在0°到80°的大入射角范围内,均可实现与入射光偏振态无关的高吸收效率。通过磁控溅射和激光直写光刻技术制造了结构简单的吸收器样件,这为获得具有低成本高效益,结构紧凑,晶圆级尺寸的MF-IR吸收器的制造提供了新的方法。与传统吸收器相比具有易于制造,可调性高,集成度高等优点。此外,与当前基于难熔金属的商用MF-IR红外辐射源相比,我们提出的基于叠层MDM的BIPA可以在整个8~14μm的大气窗口波段范围内显著提高红外辐射。因此,该吸收器可应用于高效的红外辐射光源,未来有望于应用CMOS兼容技术制造的红外成像传感器领域。
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