本發明涉及光學調制，尤其涉及一種用于在紅外波段內進行光波調制的光學調制器及其紅外光學調制方法。

背景技術：

1、紅外波段與一些重要的物理、化學以及生物機制(比如超導能隙、蛋白質的動態機制等)極其相關，從而受到了研究學者們的廣泛關注[1-2]。紅外至遠紅外波段的研究在所有其他波段中仍屬于研究尚少的領域，拓展對紅外波段的調控能力與手段，對于未來無論是科研探索還是實際應用，都具有重要意義。

2、超材料結構是一種人工新型材料，通常由周期性的二維或三維結構組成。超材料的設計具有很大的自由度，其結構的對稱性、單元結構中的參數、結構陣列的排列方式等均會影響表面等離激元的空間分布，進而影響對電磁波的調制能力。基于以上特點，利用超材料結構，可以有效實現對紅外光的探測與調控，從而有力推動了紅外領域的研究與發展[3]。

3、目前基于超材料結構的完美吸收器，作為一種調控遠場紅外光的吸收器件，成為了新興的研究熱點。

4、超材料完美吸收器(metamaterial?perfect?absorber，mpa)是基于超材料結構的光學吸收器件，其可對特定工作波段的光波達到近乎100％的吸收。超材料完美吸收器自2008年[4]設計得到以來，其性能及特性不斷為研究人員所改進與提升。近年來，已有了十分豐富的理論及實驗研究結果。如今，超材料完美吸收器主要的優化方向，是朝向高吸收、多波段或寬波段，以及利用外部手段來進行調制等方面發展。

5、然而，由于超材料器件往往在確定結構參數、制備樣品后，便難以再進一步改變其器件參數，從而限制了器件的靈活性、可調性及應用場景。

6、參考文獻

7、[1]williams?g?p.filling?the?thz?gap-high?power?sources?andapplications[j].rep.prog.phys.2006,69:301-326

8、[2]fergufon?b,zhang?x.materials?for?terahertz?science?and?technology[j].nat.mat.2002,1:26-33.

9、[3]chen?h,o’hara?j?f,et?al.manipulation?of?terahertz?radiation?usingmetamaterials[j].laser?photon.rev.2011,5:513-533.

10、[4]landy?n?i,sajuyigbe?s,mock?j?j,et.al.perfect?metamaterial?absorber[j].phys.rev.lett,2008,100:207402.

技術實現思路

1、為此，本發明的主要目的在于提供一種紅外光學調制器及其紅外光學調制方法，以解決背景技術中提到的問題，實現對超材料器件的紅外波吸收頻率和吸收效率進行動態調制。

2、為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種紅外光學調制器，其包括：層疊導電貼合設置的反射層、介質層、光調制層及超材料層，其中所述反射層與介質層底面貼合；所述超材料層與光調制層相互貼合，且兩者中任一與介質層頂面貼合，以經由所述超材料層、介質層及反射層組成諧振腔；所述反射層及光調制層接電，以調節光調制層內的載流子濃度，改變所述諧振腔的共振吸收特性。

3、在可能的優選實施方式中，所述的紅外光學調制器，其中還包括：襯底層，其設置在反射層底部。

4、在可能的優選實施方式中，其中所述光調制層上設有第一電極，所述反射層延伸裸露處上設有第二電極。

5、在可能的優選實施方式中，其中所述反射層由厚度≥10nm的金或銀中任一制成。

6、在可能的優選實施方式中，其中所述介質層由氮化硅、或介電常數與氮化硅接近的任一介質材料制成，且介質層的厚度為120nm～300nm。

7、在可能的優選實施方式中，其中所述光調制層由以下任一材料制成：單層石墨烯、或過渡金屬硫化物mx2，其中m＝mo，w，zr；x＝s，se，te、或磷烯、六方氮化硼(h-bn)、或由上述材料組合成的多層薄膜結構。

8、在可能的優選實施方式中，其中所述超材料層由單個或數個十字單元結構陣列構成，材料采用金、銀或氮化鈦中任一制成，且厚度為20～100nm。

9、在可能的優選實施方式中，其中各所述十字單元結構的臂長為：0.2～0.4μm、臂寬為：1.05～1.35μm、結構周期為2.3μm。

10、為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，對應上述提供的紅外光學調制器，本發明還提供了一種紅外光學調制方法，其步驟包括：

11、將光調制層接地或保持零伏偏壓；

12、對反射層施加偏壓，以調節光調制層內的載流子濃度，直至控制諧振腔達到預期共振吸收特性。

13、在可能的優選實施方式中，其中施加在反射層上的偏壓范圍為：-30v至+30v，或適當縮小或放寬偏壓范圍。

14、通過本發明提供的該紅外光學調制器及其紅外光學調制方法，巧妙的設計由超材料層g、介質層c及反射層b組成諧振腔，當在特定光頻下，該三層結構諧振腔的有效阻抗與自由空間的阻抗之間達到相互匹配時，則諧振腔會對該頻段的電磁波進行共振吸收，使得本發明的器件能在如中紅外波段(60thz附近)達到近完美吸收。同時通過器件間的層級結構設計，當反射層b及光調制層d接入電源后，可根據施加的不同電壓，來調節光調制層d的費米能級，從而改變層內的載流子濃度，進而實現對諧振腔共振吸收特性(如共振吸收頻率和吸收率)的改變，籍此實現對紅外波吸收性能的動態調制，以提升器件的靈活性，適應及拓展更多的應用場景。

技術特征：

1.一種紅外光學調制器，其包括：層疊導電貼合設置的反射層、介質層、光調制層及超材料層，其中所述反射層與介質層底面貼合；所述超材料層與光調制層相互貼合，且兩者中任一與介質層頂面貼合，以經由所述超材料層、介質層及反射層組成諧振腔；所述反射層及光調制層接電，以調節光調制層內的載流子濃度，改變所述諧振腔的共振吸收特性。

2.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中還包括：襯底層，其設置在反射層底部。

3.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中所述光調制層上設有第一電極，所述反射層延伸裸露處上設有第二電極。

4.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中所述反射層由厚度≥10nm的金或銀中任一制成。

5.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中所述介質層由以下任一材料制成：氮化硅、或介電常數與氮化硅接近的任一介質材料，且介質層的厚度為120～300nm。

6.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中所述光調制層由以下任一材料制成：單層石墨烯、或過渡金屬硫化物mx2，其中m＝mo，w，zr；x＝s，se，te、或磷烯、六方氮化硼、或由上述材料組合成的多層薄膜結構。

7.根據權利要求1所述的紅外光學調制器，其中所述超材料層由單個或數個十字單元結構陣列構成，材料采用金、銀或氮化鈦中任一制成，且厚度為20～100nm。

8.根據權利要求7所述的紅外光學調制器，其中各所述十字單元結構的臂長范圍為：0.2～0.4μm、臂寬范圍為：1.05～1.35μm、結構周期為2.3μm。

9.一種紅外光學調制方法，用于如權利要求1至8任一所述的紅外光學調制器，其步驟包括：

10.根據權利要求9所述的紅外光學調制方法，其中施加在反射層上的偏壓范圍為：

技術總結
本發明提供了一種紅外光學調制器及其紅外光學調制方法，其中該紅外光學調制器包括：層疊導電貼合設置的反射層、介質層、光調制層及超材料層，其中所述反射層與介質層底面貼合；所述超材料層與光調制層相互貼合，且兩者中任一與介質層頂面貼合，以經由所述超材料層、介質層及反射層組成諧振腔；所述反射層及光調制層接電，以調節光調制層內的載流子濃度，改變所述諧振腔的共振吸收特性。實現對超材料器件的紅外波吸收頻率和吸收效率的動態調制。

技術研發人員：鄒月心,鄒斌
受保護的技術使用者：洛瑪瑞芯片技術常州有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28