一种磁场调控型光吸收装置的制作方法

1.本发明涉及光吸收技术领域，具体涉及一种磁场调控型光吸收装置。


背景技术：

2.光吸收是指光进入吸光材料时，与吸光材料发生相互作用，光的电磁辐射能量部分地被转化其他形式能量的物理过程。通常地，光被吸收以后被转化为热，以热能的形式释放，形成了光热转化。
3.光吸收技术在光电检测、光电转换、红外探测、热电子产生、大气环境监测、海水淡化、电磁能量收集等诸多领域有着重要的应用。因此，提升材料的吸收性能，挖掘影响材料光吸收特性的因素，在科学研究和技术应用上均具有重要的意义。
4.近年来，研究人员应用微纳结构实现了较高的光吸收效率，特别是通过贵金属微纳结构的局域表面等离激元共振实现了强吸收。这些贵金属微纳结构也通常被称为超材料。研究人员广泛采用基于金属-介质-金属的微结构阵列，例如圆柱阵列、圆盘阵列、圆孔阵列、十字架阵列等，实现表面等离激元共振，以实现强吸收。例如，发明专利cn110196464a公开了一种金属-介质周期膜堆与金属微结构阵列相结合的复合微结构，在可见光和近红外波段实现了宽带的光吸收；发明专利cn106711271a公开了一种基于半导体超表面结构的三频带近红外吸收器，从下而上依次由衬底、金属膜层、半导体超表面构成，实现了近红外波导强吸收。
5.在现有技术中，光的强吸收多是通过独立的贵金属结构或半导体结构实现的，对制备的要求高；当光吸收微纳结构被制备完成后，微纳结构的光吸收特性不能够调节，不便于应用。


技术实现要素：

6.为解决以上问题，本发明提供了一种磁场调控型光吸收装置，包括衬底和置于衬底上周期排布的光吸收单元，光吸收单元包括贵金属薄膜和磁性材料部，相邻光吸收单元的贵金属薄膜联通，贵金属薄膜中设有圆孔和矩形孔，矩形孔设置在圆孔的一侧，矩形部不和圆孔联通，磁性材料部设置在圆孔内。
7.更进一步地，光吸收单元排布的周期为方形周期。
8.更进一步地，矩形孔与圆孔之间的距离小于100纳米。
9.更进一步地，矩形孔与圆孔之间的距离小于40纳米。
10.更进一步地，贵金属薄膜的材料为金或银。
11.更进一步地，磁性材料部的材料为铋铁石榴石。
12.更进一步地，矩形孔长边的中点与圆孔的距离最近。
13.更进一步地，磁性材料部填充所述圆孔。
14.更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于200纳米。
15.更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于80纳米。
16.本发明的有益效果：本发明提供了一种磁场调控型光吸收装置，包括衬底和置于衬底上周期排布的光吸收单元，光吸收单元包括贵金属薄膜和磁性材料部，相邻光吸收单元的贵金属薄膜联通，贵金属薄膜中设有圆孔和矩形孔，矩形孔设置在圆孔的一侧，矩形孔不和圆孔联通，磁性材料部设置在圆孔内。应用时，入射光为圆偏振光，入射光竖直地或倾斜地照射到光吸收装置上，在入射光的激发下，圆孔附近产生了环绕的电荷环流。当外加磁场的作用下，磁性材料部的折射率发生变化，改变了圆孔附近介电环境，从而改变了圆孔附近的局域表面等离激元共振，也就是磁场调控了局域表面等离激元共振，特别是改变了局域表面等离激元共振的波长。本发明实现了微纳结构的光吸收特性调控，便于针对不同波长的入射光进行吸收，拓宽了装置的应用范围。在本发明中，矩形孔限制了圆孔附近的电荷环流，也就是使得电荷环流聚集在更狭小的区域，增加了电流密度，从而使得本装置实现更强的光吸收。
17.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
18.图1是一种磁场调控型光吸收装置俯视图的示意图。
19.图2是一种磁场调控型光吸收装置切面图的示意图。
20.图3是又一种磁场调控型光吸收装置俯视图的示意图。
21.图4是再一种磁场调控型光吸收装置俯视图的示意图。
22.图5是再一种磁场调控型光吸收装置切面图的示意图。
23.图中：1、衬底；2、圆孔；3、磁性材料部；4、矩形孔。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例1
26.本发明提供了一种磁场调控型光吸收装置，包括衬底和置于衬底1上周期排布的光吸收单元。衬底的材料为二氧化硅。光吸收单元排布的周期为方形周期。在实际应用中，光吸收单元为矩形周期排布时，依然能够实现本发明的核心构思。图1是一个光吸收单元的俯视图。图2是一个光吸收单元的切面图，该切面图内不包括矩形孔4，而只包括圆孔2。如图1所示，光吸收单元包括贵金属薄膜和磁性材料部3。贵金属薄膜的材料为金或银。在外加磁场的作用下，磁性材料部3的折射率发生变化。优选地，磁性材料部3的材料为铋铁石榴石或者钇铁石榴石。铋铁石榴石或者钇铁石榴石的介电损耗低，所以在该吸收装置中不吸收光，使得该装置调控时调控量单一，有利于建立吸收和外加磁场的关系，便于结果分析。相邻光吸收单元的贵金属薄膜联通，相邻光吸收单元的贵金属薄膜形成整个的贵金属薄膜，贵金属薄膜设置在衬底1上。贵金属薄膜中设有圆孔2和矩形孔3。圆孔2的直径大于60纳米、小于200纳米，矩形孔3的长边大于圆孔2的直径，矩形孔3的短边大于20纳米。矩形孔4不于圆孔2联通，在矩形孔4和圆孔2之间设有贵金属材料。将矩形孔4的长边长度设置大于圆孔2直径，
以便于限制围绕圆孔2的电流，将这些电流限制在矩形孔4与圆孔2之间的最小区域，在该区域形成高电流密度，从而形成高强度的光吸收。矩形孔4设置在圆孔2的一侧。磁性材料部3设置在圆孔内，当磁性材料部3的折射率变化时，改变了圆孔2附近的电荷环流，从而调控了光吸收。
27.应用时，入射光为圆偏振光，入射光竖直地或倾斜地照射到光吸收装置上，在入射光的激发下，圆孔2附近产生了环绕的电荷环流。当外加磁场的作用下，磁性材料部3的折射率发生变化，改变了圆孔2附近介电环境，从而改变了圆孔2附近的局域表面等离激元共振，也就是磁场调控了局域表面等离激元共振，特别是改变了局域表面等离激元共振的波长。本发明实现了微纳结构的光吸收特性调控，便于针对不同波长的入射光进行吸收，拓宽了装置的应用范围。在本发明中，矩形孔4限制了圆孔2附近的电荷环流，也就是使得电荷环流聚集在更狭小的区域，增加了电流密度，从而使得本装置实现更强的光吸收。在本发明中，外加磁场的方向设置为与衬底1平行，电荷产生的环流也就是磁偶极子共振的磁偶极矩垂直于衬底1，所以外加磁场的方向和磁偶极矩的方向互相垂直，使得外加磁场的改变对于磁偶极矩的方向影响更大，更多的改变了磁偶极子的表面等离激元共振，使得调控灵敏度较高。在本发明中，产生的电荷环流也就是磁偶极子共振，围绕着圆孔2，同时磁性材料部3设置在圆孔2中，所以当外加磁场作用在磁性材料部3时，磁性材料产生的变化对磁偶极子的共振影响较大，更多的改变了磁偶极子的表面等离激元共振，使得调控灵敏度较高。在本发明中，主要是矩形孔4与圆孔2之间的区域吸收光、并产生热，但是这些区域与整个贵金属薄膜联通，便于将热量传递至整个贵金属薄膜，提高了热的利用效率。
28.另外地，该装置还可用做磁光传感装置。当入射光激发在磁性材料部3上时，会实现磁光效应。磁光效应是指是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，光的偏振方向发生改变可以检测该装置对光的吸收强度、波长的传感。并且，磁性材料部3的尺寸和圆孔2的尺寸相同，所以圆孔2周围的磁共振和磁性材料部上的电磁共振波长相近，所以两个共振耦合会有相互增强的效果，从而使得表面等离激元共振会实现磁性材料部3中的磁光效应增强效应。
29.实施例2
30.在实施例1的基础上，矩形孔4与圆孔2之间的距离小于100纳米。更进一步地，矩形孔4与圆孔2之间的距离小于40纳米。更进一步地，矩形孔4与圆孔2之间的距离小于20纳米。当电荷从矩形孔4与圆孔2之间流过时，需要穿过该狭小的区域，该狭小区域的电流密度高，产生的热多，提高了光热转化效率。
31.实施例3
32.在实施例2的基础上，如图3所示，图3是一个光吸收单元的俯视图，磁性材料部3与圆孔2的侧面接触，磁性材料部3填充圆孔2。圆孔2附近的电荷环流与磁性材料部3距离更近，磁性材料部3对电荷环流从圆孔2内侧产生了更强的限制作用。当外加磁场改变时，磁性材料部3对电荷环流的改变更多，更多地改变了圆孔2附近的局域表面等离激元共振，实现了更高灵敏度的光吸收调控。
33.实施例4
34.在实施例3的基础上，矩形孔4长边的中点与圆孔2的距离最近，如图3所示，也就是说，矩形孔4对称地设置在圆孔2的一侧。这样一来，本发明能够对不同偏振态的圆偏振光产
生相同的吸收，也就是对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相同的吸收。
35.更进一步地，矩形孔4非对称地设置在圆孔2的一侧，以便于对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生不同的吸收，实现不同偏振态圆偏振光的检测。具体地，矩形孔4对不同旋向的电荷环流的汇聚作用不同造成了矩形孔4和圆孔2狭小区域对不同圆偏振光吸收不同，从而实现不同偏振态圆偏振光的检测。
36.实施例5
37.在实施例4的基础上，贵金属薄膜的厚度小于200纳米。更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于80纳米。更进一步地，贵金属薄膜的厚度小于40纳米。这样一来，围绕圆孔2的电荷环流聚集在更小的区域或截面内，增强了电流密度，从而使得本发明对光的吸收更强。
38.实施例6
39.在实施例5的基础上，如图4所示，矩形孔4内填充磁性材料部3。由于矩形孔4与圆孔2之间的距离小于40纳米，当在矩形孔4内填充磁性材料后，磁性材料在磁场作用下也改变了矩形孔4与圆孔2之间的电荷环流，从而改变了整个装置对光的吸收，从而实现更高灵敏度的磁场调控型光吸收。
40.实施例7
41.在实施例6的基础上，如图5所示，磁性材料部3中的磁性材料覆盖圆孔2的边缘，特别是覆盖了矩形孔4与圆孔2之间的贵金属薄膜。一方面，在磁场的作用下，电荷环流改变更多，特别是电荷环流的共振波长，即局域表面等离激元共振波长，从而实现了更高灵敏度的磁场调控型光吸收；另一方面，由于磁性材料覆盖了贵金属薄膜，特别是产生热量的贵金属薄膜，减少了热辐射，使热量更多的聚集在金属薄膜表面，便于产生更多的热。
42.总之，在本发明中，应用磁性材料在磁场的作用下，其自身折射率改变，调控了圆孔2附近的电荷环流，从而调控了光吸收。应用磁场进行调控，调控方便，便于推广应用。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。