一种频域选择性光吸收电光调控装置的制作方法

1.本发明涉及光吸收技术领域，具体涉及一种频域选择性光吸收电光调控装置。


背景技术：

2.光吸收在能源、光学以及光电功能材料与器件中都具有非常重要的应用价值。
3.频域选择性光吸收在实现功能性选择和设计及其应用于特定频率范围内的光吸收与光学操作具有很高的应用价值。例如，通过运用频域选择性光吸收实现在不同需要下的特定工作波段范围内的光吸收具有重要的应用：在非线性光学中，通过采用频域选择性光吸收实现在非线性晶体材料的工作波长范围内实现高的吸收，而在其他频域内则是低吸收，从而避免非线性晶体材料吸收太多光能而导致性能改变和失效的严重问题。具体地，在光电功能器件，非线性光学中的光学谐波包括二次谐波和三次谐波等方面的技术则涉及两个不同频段
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激发频段和谐波产生频段，需要在保持非线性光学晶体本身吸收频段的高吸收的同时，通过外加条件改变其他频段的吸收或透射效率，这对器件应用具有非常重要的价值。此外，这种选择性的光电功能技术在光生物医学方面也具有重要的应用价值。
4.现有文献中，多是单一地实现宽波段吸收或窄波段吸收，不能同时实现宽波段吸收和窄波段吸收，特别是不能同时实现宽波段和可调的窄波段吸收，装置的集成度差，阻碍了非线性晶体材料的应用。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种频域选择性光吸收电光调控装置，包括衬底、金属镜面层、非线性介电层、光吸收超结构层，金属镜面层置于衬底上，非线性介电层置于金属镜面层上，光吸收超结构层置于非线性介电层上。
6.更进一步地，非线性介电层的材料为对甲苯磺酸4-二甲氨基-n-甲基-4-芪巴唑。
7.更进一步地，金属镜面层的材料为金属。
8.更进一步地，衬底为柔性透明材料。
9.更进一步地，光吸收超结构层包括周期性排列的微结构单元和透明导电膜层，透明导电膜层置于非线性介电层上，微结构单元置于透明导电膜层内非线性介电层上。
10.更进一步地，周期为四方阵列。
11.更进一步地，透明导电膜层的材料为氧化铟锡。
12.更进一步地，相邻微结构单元之间的距离大于100纳米。
13.更进一步地，微结构单元的材料为金或银。
14.更进一步地，微结构单元为锥形。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种频域选择性光吸收电光调控装置，包括衬底、金属镜面层、非线性介电层、光吸收超结构层，金属镜面层置于衬底上，非线性介电层置于金属镜面层上，光吸收超结构层置于非线性介电层上。光吸收超结构层中包括周期分布的光吸收超结构。应用时，入射光从光吸收超结构层一侧入射，光吸收超结构层形成较宽的
吸收光谱带；金属镜面层和非线性介电层的上表面、金属镜面层和光吸收超结构层的上表面分别形成光学微腔，这些光学微腔与入射光场共振耦合，形成窄波段吸收。在非线性介电层的两侧施加电场，对非线性介电层的介电常数进行调节，进而改变了上述两光学微腔的共振波长，从而形成可调的窄带吸收。在本发明中，光吸收超结构层不仅用来实现宽波段吸收，而且作为了窄波段吸收的光学微腔的界面，提高了系统集成度。此外，本发明针对非线性光学晶体中不同波段的吸收要求设计了同时满足宽波段吸收、可调窄波段吸收的电光调控装置，具有较高的应用价值。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是一种频域选择性光吸收电光调控装置的示意图。
18.图2是又一种频域选择性光吸收电光调控装置的示意图。
19.图3是不同电压下吸收光谱图。
20.图4是长波段吸收峰位置随外加电压改变的点线图。
21.图5是再一种频域选择性光吸收电光调控装置的示意图。
22.图6是不同电压下吸收光谱图。
23.图中：1、衬底；2、金属镜面层；3、非线性介电层；4、光吸收超结构层；5、微结构单元；6、透明导电膜层；51、微结构顶部；52、透明导电部；53、微结构底部。
具体实施方式
24.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
25.实施例1
26.本发明提供了一种频域选择性光吸收电光调控装置，如图1所示，包括衬底1、金属镜面层2、非线性介电层3、光吸收超结构层4，金属镜面层2置于衬底1上，非线性介电层3置于金属镜面层2上，光吸收超结构层4置于非线性介电层3上。光吸收超结构层4包括周期排布的光吸收超结构。非线性介电层3的材料为对甲苯磺酸4-二甲氨基-n-甲基-4-芪巴唑(4-dimethylamino-n-methyl-4-stilbazolium tosylate)。金属镜面层2的材料为金属，优选地，金属镜面层2的材料为金。衬底1为柔性透明材料，以便于将衬底1贴附在其他基底上。
27.应用时，入射光从光吸收超结构层4一侧入射，光吸收超结构层4形成较宽波段的吸收光谱带；金属镜面层2和非线性介电层3的上表面、金属镜面层2和光吸收超结构层4的上表面分别形成光学微腔，这些光学微腔与入射光场共振耦合，形成窄波段吸收。在非线性介电层3的两侧施加电场，对非线性介电层3的介电常数进行调节，进而改变了上述两光学微腔的共振波长，从而形成可调的窄带吸收。在本发明中，光吸收超结构层4不仅用来实现宽波段吸收，而且作为了窄波段吸收的光学微腔的界面，提高了系统集成度。
28.本发明提供的这种频域选择性光吸收电光调控装置可以通过外电场作用到具有电光响应特征的非线性介电层3上，对非线性介电层3的介电常数进行了调节，进而引起位于正对该装置的正上方的反射探测器的光谱产生变化，形成随外电场改变的特定的光吸收，这种光吸收来源于非线性介电层3上表面、光吸收超结构层4上表面和金属镜面层2所形
成的光学微腔与入射光场的共振耦合，因而对外加电场引起非线性介电层3介电常数的改变非常敏感。
29.此外，该装置所具有的光吸收超结构层4本身具备产生光吸收的共振结构特征，相对于上述光学微腔，在光谱的短波段形成一个较宽的吸收光谱带，这部分的吸收光谱与非线性介电层3的属性相关性低，不随外加电压行为的影响。因此，本发明形成具有空间立体分布的光吸收共振特性以及随之而来的频域选择性光吸收及其差异性电光调控响应。
30.这种具有随外电压调控而产生截然不同的吸收光谱响应的装置具有一系列新奇的光电特征：(1)频域上具有与结构空间特征相关性的选择性光吸收；(2)外电场作用下具有产生光吸收差异性响应的特征。其中(1)对应的体现在短波段的宽波段光吸收与长波段的窄带光吸收；(2)对应的是宽波段光吸收不随外电场改变而改变，长波段的窄带光吸收随外电场改变而改变且具备线性频移规律。
31.实施例2
32.在实施例1的基础上，如图2所示，光吸收超结构层4包括周期性排列的微结构单元5和透明导电膜层6，透明导电膜层6置于非线性介电层3上，微结构单元5置于透明导电膜层6内非线性介电层3上。微结构单元5排布的周期为四方阵列。相邻微结构单元5之间的距离大于100纳米。透明导电膜层6的材料为氧化铟锡。微结构单元5的材料为金或银。更进一步地，微结构单元5为锥形，锥形顶部的圆半径小于底部圆半径，这样一来，相邻微结构单元5之间，底部之间的间隔更小，有利于将入射光引导进入相邻微结构单元5的底部附近，从而实现对入射光的更强吸收。金属镜面层2和透明导电膜层6都设有电极接触点，便于接通外电源施加电压，从而在非线性介电层3上形成电场。通过外电路连接透明导电膜层6和金属镜面层2的电极接触点，在非线性介电层3上施加电压，对非线性介电层3的介电常数进行调节，引起位于正对该装置的正上方的反射探测器的光谱产生变化，形成随外电压改变的特定的光吸收。这种光吸收来源于非线性介电层3上表面、微结构单元5上表面和金属镜面层2所形成的光学微腔与入射光场的共振耦合，因而对外加电压引起非线性介电层3介电常数的改变非常敏感。此外，该装置所具有的光吸收超结构层4本身中的金属锥形阵列结构也具备产生光吸收的共振结构特征，从而在光谱的短波段形成一个较宽的吸收光谱带，这部分的吸收光谱与非线性介电层3的属性相关性低，不随外加电压行为的影响。由此，形成具有空间立体分布的光吸收共振特性以及随之而来的频域选择性光吸收及其差异性电光调控响应。
33.在本实施例中，一方面，透明导电膜层6不仅用以连接电极；另一方面，微结构单元5被填充在透明导电膜层6中，透明导电膜层6限制了微结构单元5的光散射，进一步提高了光吸收超结构层4的光吸收能力。
34.实施例3
35.在实施例2的基础上，提供了一种频域选择性光吸收电光调控装置在不同电压下的吸收光谱谱线对比图。该结果应用有限元数值计算方法而得。相关结构参数为：金属镜面层2的厚度为150纳米、材料为金；非线性介电层3的厚度为100纳米；微结构单元5为锥形：顶部圆和底部圆的半径分别为50纳米和175纳米、高为500纳米；微结构单元5阵列为四方阵列、阵列周期为350纳米；在微结构单元5以上透明导电膜层6的厚度为100纳米；衬底1为柔性聚苯乙烯材料、厚度为20微米。
36.如图3所示，在没有输入电压值时，该装置产生了两个频段的吸收，其中一个是短波段的吸收，覆盖了从0.38微米到0.69微米的较宽的一个波段，最低吸收率为0.9，而最高吸收率达到了0.993；在长波段有另一个吸收带，呈现的是一个中心位于0.845微米的吸收率为0.98的吸收峰。这种在光谱频域内具有选择性的双频段光吸收主要来自装置结构的两个共振模式。短波段的光吸收为金属圆锥形阵列结构本身的共振吸收；长波段的光吸收分金属圆锥形阵列结构与金属镜面层2构成的金属-介质-金属光学微腔的光吸收。
37.在光吸收超结构层4和金属镜面层2的电极接触点开通外电路，在非线性介电层4上施加电压，从而对非线性介电层4的介电常数进行调节，引起位于正对该装置的正上方的反射探测器的光谱产生变化，形成随外电压改变的特定的光吸收。通过选择电压为10伏特，测试了在有外电压存在下的吸收光谱谱线。如图3中的虚线所示，原本的双频段光吸收谱线并未呈现整体的频移，而是短波段的吸收维持在原有位置不变，而长波段的吸收峰产生了移动。这说明这种频域选择性的光吸收在电光调控操作中产生了很明显的差异性响应。
38.实施例4
39.在实施例3的基础上，如图4所示，通过改变外加电路的电压，从-10伏特到10伏特，间隔为1伏特，连续进行了21次的电光调控实验，依次记录下长波段吸收峰的光谱位置的变化，进行描点，获得了该吸收峰波长位置随电压改变的点线图。进一步，通过origin软件的线性拟合操作，获得了21次测试结果的线性拟合线。经过拟合计算，得到了该吸收峰与外电路电压之间的线性关系为电压每改变1伏特对应产生的吸收峰波长位置移动7.1纳米。这不仅表明该装置在大范围内的电光调控过程中存在差异性响应，而且还存在定量的线性关系。因而，非常有利于人为调控及其光电功能器件的设计和应用。
40.实施例5
41.在实施例2的基础上，如图5所示，微结构单元5为圆柱形。微结构单元5包括微结构顶部51、透明导电部52、微结构底部53。微结构底部53、透明导电部52、微结构顶部51沿微结构单元5的轴线从下至上依次排布。也就是说，微结构底部53、透明导电部52、微结构顶部51均为圆盘形。微结构底部53和微结构顶部51的材料为金，透明导电部52的材料为氧化铟锡。本实施例在微结构单元5中插入透明导电部52，一方面，在光吸收超结构层4中制造了多个光学微腔界面，以便于在反射光谱中形成多个窄波段吸收；另一方面，在外加电场或外界电压的作用下，透明导电部52的折射率也发生改变，改变了微结构顶部51和微结构底部52周围的介电环境；在电场调控或电压调控时，窄波段共振峰移动更多，从而实现更灵敏的窄波段调控。
42.更进一步地，透明导电部52的厚度小于60纳米，这样一来，微结构顶部51和微结构底部53之间形成强耦合，微结构单元5构成的界面与金属镜面层2构成的界面之间的光学微腔能够实现更强的光吸收。
43.实施例6
44.在实施例5的基础上，本实施例提供了一种具体结构参数的点调控装置，相关结构参数为：金属镜面层2的厚度为250纳米、材料为金；非线性介电层3的厚度为90纳米；微结构单元5的直径为250纳米；微结构顶部51和微结构底部53的高度均为280纳米；透明导电部52的高度为40纳米；在微结构单元5上表面以上，透明导电膜层6的厚度为200纳米；衬底1为硅材料、厚度为10微米；微结构单元5阵列为四方阵列、阵列周期为350纳米。应用有限元软件
计算了上述结构的吸收光谱。如图6所示，在外加电压的调控下产生了明显的差异性电光调控响应。在外加电压值为0时，吸收率光谱呈现了同样的短波段是宽波段的光吸收区域和长波段窄带的光吸收区域。特别是长波段在此实施例的结构特征下，产生了3个明显的光吸收峰。这再一次证明了本发明涉及的技术在圆盘型结构单元组成的装置中也可以产生频移选择性光吸收。在外加电压值为伏特10时，吸收率光谱短波段的的光吸收区域没有频移，而长波段窄带的光吸收峰产生了明显的频移。例如，左侧的吸收峰从0.754微米移动到了0.784微米；中间的吸收峰对应的波长位置从0.878微米移动了0.972微米；右侧的吸收峰对应的波长位置从1.218微米移动了1.288微米。本实施例证明，在微结构单元5中设置透明导电部52后，不仅增加了窄波段吸收峰的个数，而且在相同电压调控下，吸收峰移动更多，能够实现更灵敏的吸收峰位置调控。
45.实施例7
46.在实施例5的基础上，微结构单元5为锥形。透明导电部52为弧面形，在微结构单元5中心位置，透明导电部52低；在微结构单元5边缘位置，透明导电部52高。这样一来，光场不仅被限制在微结构单元5的底部，从而实现更大幅度的光吸收，而且光场被限制在微结构单元5中心位置以下区域，将电场更密集地聚集在微结构单元5中心与金属镜面层2之间，能够形成对入射光更强的吸收。
47.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。