技术摘要：
本发明提供了一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法及系统，包括：步骤S1：将亚波长尺度的介电光栅层和高反射基底层构建成设定结构；步骤S2：选择介电光栅的几何尺寸，包括宽度w和厚度t，满足一定倍数关系；步骤S3：将周期沿着x方向，使得入射光为p偏振，入  全部
背景技术：
选择性的发射/吸收器的设计在太阳能电池、热光伏、辐射制冷、气体探测等领域 都有着广泛应用。近年来，超材料、超表面等的兴起为高性能吸收/发射器件的设计提供了 全新的平台，研究者们的目光集中在光子晶体、多层膜结构、金属-介电-金属的MIM结构以 及双曲超材料甚至二维材料上，通过激发磁激子、表面等离激元或表面声子极化激元从而 实现在特定波长下的完美吸收。尽管吸收/发射器的研究已取得了一定的成果，但目前仍面 临着一些问题和挑战：(1)首先，大部分研究设计得到的高发射/吸收特性依赖于材料自身 的光学特性，如表面等离激元和表面声子极化激元，其受限于特定材料的特定波段；(2)其 次，目前吸收/发射器件设计所用材料多集中于如金、银、钨等金属或碳化硅等极性材料，或 者六方氮化硼以及石墨烯的新型材料等，这些材料的加工成本较高，与半导体材料如硅、锗 等相比加工工艺尚不是很成熟，因此短时间内很难应用于实际；(3)此外，面对设备尺度日 益微型化的需求，所设计的吸收/发射器件的尺寸大小对吸收性能的影响分析还比较少，特 别是对于常用的周期性结构，周期的个数以及实际加工中周期的变化都是在设计中需要考 虑的因素。高介电常数材料，如硅、锗等，其因光学损失较低一直未受到吸收/发射器研究者 的青睐，但实际上，其高阶电磁模态激发能力在高吸收特性方面也具有巨大的潜力，并且其 半导体加工工艺相对成熟且易于与现有系统集成，优势明显。本发明即是基于常用的介电 材料提出一种适用于任意波长的选择性完美发射/吸收器的设计原则，解决上述技术难题。 专利文献CN106025051B公开了一种发射辐射的半导体器件及其制造方法，该半导 体器件具有芯片连接区(3)，发射辐射的半导体芯片(1)，以及光吸收材料(4)，其中发射辐 射的半导体芯片(1)固定在芯片连接区(3)处，芯片连接区(3)在所述芯片连接区没有被发 射辐射的半导体芯片(1)覆盖的位置处用该光吸收材料(4)覆盖，以及发射辐射的半导体芯 片(1)局部地没有光吸收材料(4)。该专利在性能上仍然有待提高。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于任意波长的选择性吸 收/发射器件构造方法及系统。 根据本发明提供的一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造方法，其特 征在于，包括： 步骤S1：将亚波长尺度的介电光栅层和高反射基底层构建成设定结构； 步骤S2：欲实现目标工作波长λ的高吸收(发射)特性，选择介电光栅的几何尺寸， 包括宽度w和厚度t，满足一定倍数关系； 步骤S3：将周期沿着x方向，使得入射光为p偏振，入射波矢沿y轴负方向，入射电场 4 CN 111580268 A 说　明　书 2/7 页 Ex沿着x方向，入射磁场Hz沿z方向，其中，p为亚波长尺度光栅结构的周期； 步骤S4：在满足上述设计要求后，设定结构能有效地将电磁辐射能量集中在光栅 平面内，从而实现在目标波长下高吸收(发射)特性；在本发明提出的有效区域内合理选择 设定光栅尺寸(w，t，p)，获取适用于任意波长的选择性吸收/发射器件。 优选地，所述步骤S1包括： 步骤S1.1：介电光栅层由常用的低吸收特性的介电材料组成，所述介电光栅层的 折射率n＝3.5，如锗Ge，硅Si等组成，具体材料选择可根据目标吸收(发射)波长决定； 所述介电材料的吸收特性小于设定阈值； 步骤S1.2：选用金属材料作为高反射基底层，如铝A1等。 优选地，所述步骤S2包括： 步骤S2.1：有效区域取决于单根光栅结构的远场散射角分布特点：配置远场散射 角分布； 二维类圆柱形散射体的远场散射振幅为 其 中，am为不同阶电磁模态的散射系数，非圆柱形二维散射体的散射系数采用多极子展开方 式，m为电磁模态的阶数，θ为散射角，η为真空中阻抗； 步骤S2.2：配置有效区域内单根光栅结构的散射系数满足a1＝0，|a0|＝2|a2|，| δ0-δ2|＝π，其中，δ为散射系数的相位； p偏振下，0阶电磁模态为磁偶极子，1阶电磁工作为电偶极子，2阶电磁共振为电四 极子； 步骤S2.3：当散射系数满足步骤S2.2的条件时，使远场散射振幅满足前向和后向 散射同时为0，即T(0)→0且T(π)→0，于是散射能量全部集中在与入射方向垂直的横向平面 内，即光栅结构面内。 优选地，所述步骤S2还包括： 步骤S2.4：在给定折射率n＝3.5时，计算不同宽度w和不同厚度t下前向(θ＝0)和 后向(θ＝π)振幅T(θ)，获取设定有效区域。 优选地，所述步骤S3包括： 步骤S3.1：因高吸收(发射)特性由单个光栅的散射特性决定，光栅周期p的大小对 所述选择性吸收(发射)器件的工作波长和性能的影响较小，对选择性吸收/发射器件的目 标波长进一步通过光栅周期进行微调。 根据本发明提供的一种适用于任意波长的选择性吸收/发射器件构造系统，其特 征在于，包括： 模块M1：将亚波长尺度的介电光栅层和高反射基底层构建成设定结构； 模块M2：欲实现目标工作波长λ的高吸收(发射)特性，选择介电光栅的几何尺寸， 包括宽度w和厚度t，满足一定倍数关系； 模块M3：将周期沿着x方向，使得入射光为p偏振，入射波矢沿y轴负方向，入射电场 Ex沿着x方向，入射磁场Hz沿z方向，其中，p为亚波长尺度光栅结构的周期； 模块M4：在满足上述设计要求后，设定结构能有效地将电磁辐射能量集中在光栅 平面内，从而实现在目标波长下高吸收(发射)特性；在本发明提出的有效区域内合理选择 设定光栅尺寸(w，t，p)，获取适用于任意波长的选择性吸收/发射器件。 5 CN 111580268 A 说　明　书 3/7 页 优选地，所述模块M1包括： 模块M1.1：介电光栅层由常用的低吸收特性的介电材料组成，所述介电光栅层的 折射率n＝3.5，如锗Ge，硅Si等组成，具体材料选择可根据目标吸收(发射)波长决定； 所述介电材料的吸收特性小于设定阈值； 模块M1.2：选用金属材料作为高反射基底层，如铝Al等。 优选地，所述模块M2包括： 模块M2.1：有效区域取决于单根光栅结构的远场散射角分布特点：配置远场散射 角分布； 二维类圆柱形散射体的远场散射振幅为 其 中，am为不同阶电磁模态的散射系数，非圆柱形二维散射体的散射系数采用多极子展开方 式，m为电磁模态的阶数，θ为散射角，η为真空中阻抗； 模块M2.2：配置有效区域内单根光栅结构的散射系数满足a1＝0，|a0|＝2|a2|，| δ0-δ2|＝π，其中，δ为散射系数的相位； p偏振下，0阶电磁模态为磁偶极子，1阶电磁工作为电偶极子，2阶电磁共振为电四 极子； 模块M2.3：当散射系数满足模块M2.2的条件时，使远场散射振幅满足前向和后向 散射同时为0，即T(0)→0且T(π)→0，于是散射能量全部集中在与入射方向垂直的横向平面 内，即光栅结构面内。 优选地，所述模块M2还包括： 模块M2.4：在给定折射率n＝3.5时，计算不同宽度w和不同厚度t下前向(θ＝0)和 后向(θ＝π)振幅T(θ)，获取设定有效区域。 优选地，所述模块M3包括： 模块M3.1：因高吸收(发射)特性由单个光栅的散射特性决定，光栅周期p的大小对 所述选择性吸收(发射)器件的工作波长和性能的影响较小，对选择性吸收/发射器件的目 标波长进一步通过光栅周期进行微调。 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： 1、本发明通过计算单个介电光栅的远场散射角分布特点，明确给出了利用低损耗 介电材料实现相应波长选择性吸收(发射)器件的设计方法，解决了现有的吸收(发射)器件 依赖于贵金属材料或者多层膜结构造价和尺度较大的问题，可由常用的低损耗的工艺成熟 的半导体材料如Si、Ge等组成。对于其中具体的实施案例：p偏振入射下，欲在目标波长λ＝ 1.43μm处实现高吸收，根据图2，对于介电常数n＝3.5的介电光栅厚度可为t＝0.5μm，相应 地光栅宽度可为w＝1.35t＝0.675μm； 2、本发明通过给出目标高吸收(发射)波长与介电光栅介电常数、光栅宽度和光栅 高度的直接关系，解决了现有的吸收(发射)器设计工作波段受限，缺乏明确的设计原则的 问题，可直接根据倍数关系设计得到适用于任意波长的选择性吸收(发射)器件。对于其中 具体的实施案例：根据本发明提出的介电光栅选择性吸收器件设计原则，设置光栅厚度为t ＝0.5μm时，宽度分别为w＝1.35t，1.4t，1.45t，1.5t和1.55t，周期为p＝w 0.07um时，可在 近红外(1.4～1.7μm)相应波段实现高吸收特性。根据本发明提出的介电光栅选择性吸收器 件设计原则，设置介电光栅宽度w＝1.35t，周期为p＝w 0.07um，相应地设置不同厚度t＝ 6 CN 111580268 A 说　明　书 4/7 页 2.97～3.67μm，可实现在中红外(8～11μm)相应波长下的高吸收特性； 3、本发明利用单个光栅同时实现零前向和零后向散射的特性来设计高吸收(发 射)器件，解决了传统的高吸收光栅结构对于严格周期性条件的依赖，使得本发明所设计结 构的吸收特性对周期和周期大小的变化敏感程度低。对于其中具体的实施案例：介电光栅 结构t＝0.5um，w＝1.45t，n＝3.5时，周期在0.8μm～1μm之间变化时，吸收峰位置的变化仅 为0.032μm。介电光栅结构t＝0.5um，w＝1.45t，n＝3.5，当光栅个数N大于15时，吸收效率图 谱的峰值基本保持不变，说明在本发明指导下设计的吸收器件在小尺度(＞15p)下仍能保 持优异性能。 附图说明 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显： 图1为本发明介电吸收/器件的结构示意图。 图2为本发明提出的介电光栅几何尺寸设计原则示意图。 图3为本发明3种条件下的前后向散射强度对比示例示意图。 图4为本发明示例的介电光栅结构，t＝0.5um时，有效范围内不同宽度w的吸收图 谱示意图。 图5为本发明示例的介电光栅结构，w＝1.35t时，有效范围内不同厚度t下工作波 段在近红外的吸收图谱示意图。 图6为本发明示例的介电光栅结构，w＝1.35t时，有效范围内不同厚度t下工作波 段在中红外的吸收图谱示意图。 图7为本发明示例的介电光栅结构t＝0.Sum，w＝1.45t时，不同周期下的吸收图谱 示意图。 图8为本发明示例的介电光栅结构在基底存在时不同个数周期(N)的吸收效率对 比示意图。 图9为本发明示例的介电光栅结构t＝0.5um，w＝1.45t时吸收图谱随背景材料折 射率的变化示意图。 图10为本发明示例的t＝0.5um，w＝1.45t时吸收峰值位置随背景材料折射率的变 化示意图。