超窄带超表面吸收器

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号

CN 115113309 A

(43)申请公布日

2022.09.27

(21)申请号 2.9

(22)申请日 2022.05.24

(71)申请人 黑龙江大学

地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区学

府路74号

(72)发明人 高扬 刘畅 张景煜 冯恒利

房冬超 王金成 张作鑫

(74)专利代理机构 哈尔滨华夏松花江知识产权

代理有限公司 23213

专利代理师 岳昕

(51)Int.Cl.

G02B5/00

(2006.01)

G02B1/00

(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图4页

(54)发明名称

超窄带超表面吸收器

(57)摘要

本发明超窄带超表面吸收器涉及纳米级超

表面吸收器技术领域；所述超窄带超表面吸收

器，由多个相同细胞单元阵列组成，每个细胞单

元由基底层、介质层、底层圆环、中层介质圆环、

顶层圆环、底层长方体、中层介质长方体和顶层

长方体组成；所述介质层紧贴于基底层上方，介

质层上设置有由底层圆环和底层长方体组成的

结构；所述底层圆环上依次覆盖有中层介质圆环

和顶层圆环；所述底层长方体上依次覆盖有中层

介质长方体和顶层长方体；本发明超窄带超表面

吸收器结构简单、够做在高集成度的情况下同样

便于加工、吸收效果好、透射峰的带宽非常窄且

具有更好的选择性，并且对于非目标波段的光可

以近乎完美透过。

C

N

1

1

5

1

1

3

3

0

9

A

CN 115113309 A

权 利 要 求 书

1/1页

1.超窄带超表面吸收器，由多个相同细胞单元阵列组成，其特征在于，每个细胞单元由

基底层(1)、介质层(2)、底层圆环(3)、中层介质圆环(4)、顶层圆环(5)、底层长方体(6)、中

层介质长方体(7)和顶层长方体(8)组成；

所述介质层(2)紧贴于基底层(1)上方，介质层(2)上设置有由底层圆环(3)和底层长方

体(6)组成的结构；所述底层圆环(3)上依次覆盖有中层介质圆环(4)和顶层圆环(5)；所述

底层长方体(6)上依次覆盖有中层介质长方体(7)和顶层长方体(8)。

2.根据权利要求书1所述的超窄带超表面吸收器，

其特征在于，

底层圆环(3)、中层介质圆环(4)和顶层圆环(5)的结构参数相同；

底层长方体(7)中层介质长方体(7)和顶层长方体(8)的结构参数相同。

3.根据权利要求2所述的超窄带超表面吸收器，

其特征在于，

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

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

在底层圆环(3)、中层介质圆环(4)和顶层圆环(5)中，外圆直径d1＝100nm，内圆直径d2

＝20nm，高度h3＝35nm；

在底层长方体(6)、中层介质长方体(7)和顶层长方体(8)中，x方向的宽度Wx＝28nm，y

方向的宽度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

4.根据权利要求书1、2或3所述的超窄带超表面吸收器，其特征在于，所述基底层(1)为

硅材料，所述介质层(2)为二氧化硅材料，所述底层圆环(3)为银材料，所述中层介质圆环

(4)为二氧化硅材料，所述顶层圆环(5)为银材料，所述底层长方体(6)为银材料，所述中层

介质长方体(7)为二氧化硅材料，所述顶层长方体(8)为银材料。

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说 明 书

超窄带超表面吸收器

1/3页

技术领域

[0001]

本发明超窄带超表面吸收器涉及纳米级超表面吸收器技术领域。

背景技术

[0002]

表面等离子体是金属表面存在的自由振动的电子和光子相互作用的沿着金属‑介

质‑金属传播的一种特殊的电磁波，在金属表面处场强最大，在垂直于界面方向呈指数衰

减，并且具有操控光的功能。

[0003]

超表面窄带吸收器由于具有非常好的选择性，成为了近年来非常热门的研究课

题。但是如何在近红外波段实现窄带高吸收是一个难题。目前，为了在近红外波段实现窄带

高吸收，往往要设计非常复杂的结构，不利于加工和应用，那么，设计一个结构简单、易于加

将是本领域的一个发展方向。工的吸收器，

发明内容

[0004]

为了实现上述目的，本发明设计了一种超窄带超表面吸收器，结构简单、够做在高

集成度的情况下同样便于加工、吸收效果好、透射峰的带宽非常窄且具有更好的选择性，并

且对于非目标波段的光可以近乎完美透过。

[0005]

本发明的目的是这样实现的：

[0006]

超窄带超表面吸收器，由多个相同细胞单元阵列组成，每个细胞单元由基底层、介

质层、底层圆环、中层介质圆环、顶层圆环、底层长方体、中层介质长方体和顶层长方体组

成；

[0007]

所述介质层紧贴于基底层上方，介质层上设置有由底层圆环和底层长方体组成的

结构；所述底层圆环上依次覆盖有中层介质圆环和顶层圆环；所述底层长方体上依次覆盖

有中层介质长方体和顶层长方体。

[0008]

上述超窄带超表面吸收器，

[0009]

底层圆环、中层介质圆环和顶层圆环的结构参数相同；

[0010]

底层长方体中层介质长方体和顶层长方体的结构参数相同。

[0011]

进一步地，

[0012]

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

[0013]

在介质层中，x方向的周期Px＝500nm，y方向的周期Py＝500nm，高度h2＝200nm；

[0014]

在底层圆环、中层介质圆环和顶层圆环中，外圆直径d1＝100nm，内圆直径d2＝

20nm，高度h3＝35nm；

[0015]

在底层长方体、中层介质长方体和顶层长方体中，x方向的宽度Wx＝28nm，y方向的

宽度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

[0016]

以上超窄带超表面吸收器，所述基底层为硅材料，所述介质层为二氧化硅材料，所

述底层圆环为银材料，所述中层介质圆环为二氧化硅材料，所述顶层圆环为银材料，所述底

层长方体为银材料，所述中层介质长方体为二氧化硅材料，所述顶层长方体为银材料。

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[0017]

说 明 书

2/3页

有益效果：

[0018]

第一、本发明超窄带超表面吸收器的吸收层，由多个相同细胞单元阵列组成，每个

细胞单元仅由基底层、介质层、底层圆环、中层介质圆环、顶层圆环、底层长方体、中层介质

长方体和顶层长方体八个结构组成，因此具有结构简单的技术优势；

[0019]

第二、本发明超窄带超表面吸收器只用到了硅，二氧化硅和银三种材料，由于这些

材料为生活中常见材料，成本低廉，因此本发明具有优越的成本优势；此外，这些材料的加

工技术非常成熟，也使得本发明能够做到在高集成度的情况下同样便于加工。

[0020]

第三、本发明超窄带超表面吸收器的吸收层由三层圆环体(底层圆环、中层介质圆

环和顶层圆环)和三层长方体(底层长方体、中层介质长方体和顶层长方体)构成，这种三层

结构与单层结构相比，因为正好满足表面等离子体沿着金属‑介质‑金属的传播条件，所以

吸收效果更好。

[0021]

第四、通过仿真实验可以知道，本发明超窄带超表面吸收器，透射峰的带宽非常窄

且具有更好的选择性，并且对于非目标波段的光可以近乎完美透过。

附图说明

[0022]

图1是本发明超窄带超表面吸收器的结构示意图。

[0023]

图2是本发明超窄带超表面吸收器每个细胞单元的结构示意图。

[0024]

图3是本发明超窄带超表面吸收器每个细胞单元的参数定义示意图。

[0025]

图4为改变x方向的宽度Wx得到的的透射率曲线。

[0026]

图5为改变y方向的宽度Wy得到的的透射率曲线。

[0027]

图6为改变x方向的周期Px得到的透射率曲线。

[0028]

图7为改变y方向的周期Py得到的透射率曲线。

[0029]

图中：1基底层、2介质层、3底层圆环、4中层介质圆环、5顶层圆环、6底层长方体、 7

中层介质长方体、8顶层长方体。

具体实施方式

[0030]

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细介绍。

[0031]

具体实施方式一

[0032]

该具体实施方式下的超窄带超表面吸收器，结构示意图如图1所示，由多个相同细

胞单元阵列组成，每个细胞单元的结构示意图如图2所示，由基底层1、介质层2、底层圆环3、

中层介质圆环4、顶层圆环5、底层长方体6、中层介质长方体7和顶层长方体8组成；

[0033]

所述介质层2紧贴于基底层1上方，介质层2上设置有由底层圆环3和底层长方体6

组成的结构；所述底层圆环3上依次覆盖有中层介质圆环4和顶层圆环5；所述底层长方体6

上依次覆盖有中层介质长方体7和顶层长方体8；

[0034]

其中，所述基底层1为硅材料，所述介质层2为二氧化硅材料，所述底层圆环3为银

材料，所述中层介质圆环4为二氧化硅材料，所述顶层圆环5为银材料，所述底层长方体6为

银材料，所述中层介质长方体7为二氧化硅材料，所述顶层长方体8为银材料；

[0035]

其中，底层圆环3、中层介质圆环4和顶层圆环5的结构参数相同；底层长方体7中层

介质长方体7和顶层长方体8的结构参数相同，参数定义示意图如图3所示，具体如下：

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[0036]

说 明 书

3/3页

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

[0037]

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

[0038]

在底层圆环3、中层介质圆环4和顶层圆环5中，外圆直径d1＝100nm，内圆直径d2＝

20nm，高度h3＝35nm；

[0039]

在底层长方体6、中层介质长方体7和顶层长方体8中，x方向的宽度Wx＝28nm，y方

向的宽度Wy＝200nm，高度h4＝28nm。

[0040]

具体实施方式二

[0041]

该具体实施方式下的超窄带超表面吸收器，对底层长方体6、中层介质长方体7和

顶层长方体8在不同参数下的性能进行仿真。

[0042]

其中，光源按照从顶层长方体8、中层介质长方体7到底层长方体6的方向入射，并

利用FDTD进行仿真，仿真结果如下：

[0043]

仿真实验一、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wy＝200nm，Px＝500nm，Py＝500nm不变，底层长方体6、中层介质长方体7和顶层长方

体8 中x方向的宽度Wx以2nm的步长由24nm增加到28nm，得到的透射率曲线如图4所示，可以

看出，随着Wx的增加，透射峰发生明显的红移。

[0044]

仿真实验二、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Px＝500nm，Py＝500nm不变，底层长方体6、中层介质长方体7和顶层长方

体8 中y方向的宽度Wy以20nm的步长由200nm增加到240nm，所得到的透射率曲线如图5所

示，可以看出，随着Wy的增加，透射峰发生明显的红移。

[0045]

至此，制作超窄带超表面吸收器时，选择Wx＝28nm，Wy＝200nm。

[0046]

具体实施方式三

[0047]

该具体实施方式下的超窄带超表面吸收器，对基底层1和介质层2在不同参数下的

性能进行仿真。

[0048]

其中，光源按照从顶层长方体8、中层介质长方体7到底层长方体6的方向入射，并

利用FDTD进行仿真，仿真结果如下：

[0049]

仿真实验三、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Wy＝200nm不变，基底层1和介质层2中x方向的周期Px以10nm的步长由

480nm 增加到500nm，所得到的透射率曲线如图6所示，可以看出，随着Px的增加，透射峰发

生明显的红移。

[0050]

仿真实验四、保持h1＝100nm，h2＝200nm，h3＝35nm，h4＝35nm，d1＝100nm，d2＝

20nm， Wx＝28nm，Wy＝200nm不变，基底层1和介质层2中y方向的周期Py以10nm的步长由

480nm 增加到500nm，所得到的透射率曲线如图7所示，可以看出，随着Py的增加，透射峰发

生明显的红移。

[0051]

至此，制作超窄带超表面吸收器时，选择Px＝Py＝500nm。

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说 明 书 附 图

1/4页

图1

图2

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说 明 书 附 图

2/4页

图3

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说 明 书 附 图

3/4页

图4

图5

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说 明 书 附 图

4/4页

图6

图7

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