一种中红外光吸收器

本发明属于中红外光吸收器，具体涉及一种中红外光吸收器。

背景技术：

1、中红外光(波长2.5-25微米)处于很多化学分子的特征指纹光谱区，已经被广泛用于分子的特征识别和表征。另外，大气透明窗口(波长3-5微米和8-14微米)已被广泛用于热成像和热辐射应用中。红外辐射这些独特的特征在生命健康，国防安全和环境检测领域有着重要的应用。但是，由于缺乏中红外波段主动控制的元件(如光调制器，开关等)限制了该波段更多先进技术的出现和应用。

2、石墨烯是一种单层碳原子构成的具有蜂窝状晶格结构的二维材料，它具有优异的可控光学和电学性能，通过外部偏置电压可以对石墨烯的费米能级进行调制，可以通过偏压调控石墨烯的电导率。石墨烯的可控特性已在光电探测器，调制器和光开关等领域有了广泛的应用。在这些应用中，由于石墨烯原子级的厚度特性，实现石墨烯可控的光吸收是技术的关键。

3、目前，对石墨烯吸收率的动态调制主要通过两种途径来实现，第一种是通过外部电压控制石墨烯中电子的带间跃迁，使得石墨烯的电导率在近红外波段有急剧的变化，实现对石墨烯结构光吸收的开关功能；第二种，通过偏压控制石墨烯的费米能级，移动石墨烯结构中的表面等离子体共振频率，在特定频段实现对结构吸收率的调制，这种机制主要在太赫兹波段实现。

4、然而，在中红外波段，石墨烯纳米结构的表面等离子体共振强度比较弱，通过共振峰移动来调制结构的吸收率是比较低效的，这制约了石墨烯在中红外波段的光吸收和光操控能力。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种中红外光吸收器。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种中红外光吸收器，包括：

4、金属衬底；

5、电介质波导层，其敷设于所述金属衬底上；

6、电容器阵列，设于所述电介质波导层上；所述电容器阵列包括：一组周期性间隔排列的石墨烯电容器，所述石墨烯电容器的极板之间设有绝缘介质层；所述石墨烯电容器包括：上下两层石墨烯光栅，所述上层石墨烯光栅与下层石墨烯光栅为单层石墨烯；对电容器阵列中的奇数位或偶数位石墨烯电容器的上极板连接电源正极，下极板连接电源负极，对石墨烯电容器施加电压用于改变石墨烯的费米能级，进而改变石墨烯电容器中石墨烯的电导率，进而改变石墨烯电容器中石墨烯的等效介电常数εg；

7、当中红外tm偏振光垂直入射到石墨烯电容器阵列上时，相邻石墨烯电容器中石墨烯的等效介电常数εg的差异值增大，电介质波导层中波导模式经历的材料折射率扰动就增大，波导层中波导模式的被外界入射光激发的效率提高，导致更多的红外光入射能量被局域到电介质波导层中，增强了中红外光吸收器的光吸收能力。

8、进一步，所述绝缘介质层为聚乙烯材料，厚度为0.05μm。

9、进一步，所述电介质波导层为硒化锌材料，厚度为1.27μm。

10、进一步，所述金属衬底的材料为银。

11、进一步，所述中红外光吸收器的光吸收效率的调制度为：

12、

13、其中，ap为电压加载到石墨烯电容器时，结构吸收峰的峰值强度；ab为中红外光吸收器不加电压时的结构背景吸收率。

14、进一步，当入射光照射到石墨烯电容器上，石墨烯电容器对入射光的周期性散射激发电介质波导层(2)支持的导波模式，实现导波模共振；

15、电介质波导层(2)的导波模共振条件为：

16、kx,m＝k0sinθ+m2π/p＝β(m＝±1,±2,···)             (1)

17、其中，k0表示真空中的波数，β表示波导层中导波模式的传播常数，m是石墨烯电容器组成的光栅的衍射阶次，p为光栅常数，kx,m为入射光的横向动量，θ为入射光的入射角。

18、进一步，当施加在石墨烯电容器的电压为零时，电介质波导层(2)的导波模共振条件为：

19、

20、其中，k′x,m′为当施加在石墨烯电容器的电压为零时入射光的横向动量，p′为当施加在石墨烯电容器的电压为零时的光栅常数，m′为当施加在石墨烯电容器的电压为零时的石墨烯电容器组成的光栅的衍射阶次；

21、此时，偶数阶的导波膜共振保留，奇数阶的导波膜共振条件消失，形成连续谱中的局域态；

22、当加载到奇数位石墨烯电容器中的电压增加时，奇数位的石墨烯的电导率升高，奇数阶的导波膜被激发，连续谱中的局域态模式退化为波导模的高q共振模式，入射的光子能量能有效局域到波导中，增强石墨烯的光吸收。

23、进一步，石墨烯电容器的电导率为：

24、σ＝σinter+σintra                           (4)

25、其中，σinter和σintra分别为：

26、

27、

28、其中，e，kb和t分别表示约化的普朗克常数，电子电荷，布尔兹曼常数和环境温度；ef是费米能级，τ是弛豫时间，ω是入射光的角频率。

29、进一步，石墨烯的费米能级efb与施加在石墨烯电容器上的电压vg满足：

30、

31、其中，和e分别为约化普朗克常数和电子电荷，vf为费米速率，t为石墨烯层的间隔厚度，εd和ε0是介质的等效介电常数和真空介电常数。

32、进一步，石墨烯的等效介电常数εg为：

33、

34、其中，δ是石墨烯层的等效厚度，σs为石墨烯电导率，ω是入射光的角频率，ε0为真空介电常数。

35、本发明提供的一种中红外光吸收器具有以下有益效果：

36、本发明中利用外部偏压对电容器阵列中的奇数或偶数位石墨烯电容器施加电压，以通过调制石墨烯电容器中石墨烯的电导率来控制电介质波导层的激发效率，调制结构的光吸收率。这种机制不再依赖于石墨烯结构的共振峰移动，可以在中红外波段实现结构吸收率的动态调制，结构吸收率调制度可达到80％以上。

技术特征：

1.一种中红外光吸收器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，所述绝缘介质层(3)为聚乙烯材料，厚度为0.05μm。

3.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，所述电介质波导层(2)为硒化锌材料，厚度为1.27μm。

4.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，所述金属衬底(1)的材料为银。

5.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，所述中红外光吸收器的光吸收效率的调制度为：

6.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，当入射光照射到石墨烯电容器上，石墨烯电容器对入射光的周期性散射激发电介质波导层(2)支持的导波模式，实现导波模共振；

7.根据权利要求6所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，当施加在石墨烯电容器的电压为零时，电介质波导层(2)的导波模共振条件为：

8.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，石墨烯电容器的电导率为：

9.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，石墨烯的费米能级efb与施加在石墨烯电容器上的电压vg满足：

10.根据权利要求1所述的一种中红外光吸收器，其特征在于，石墨烯的等效介电常数εg为：

技术总结本发明提供了一种中红外光吸收器，属于中红外光吸收器技术领域，包括：金属衬底；电介质波导层，其敷设于金属衬底上；电容器阵列，其包括：一组周期性排列的石墨烯电容器，设于电介质波导层上；其中，当中红外TM偏振光垂直入射到石墨烯电容器上时，对电容器阵列中的奇数或偶数位石墨烯电容器的上极板连接电源正极，下极板连接电源负极对石墨烯电容器施加电压以改变石墨烯电容器的电导率；相邻石墨烯电容器的电导率的差异值增大，增强中红外光吸收器的光吸收能力越强。该发明能够调整中红外光吸收器在中红外波段的光吸收和光操控能力。技术研发人员：陈俊学,米秀梅,唐陆驰受保护的技术使用者：桂林理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1