王超素　何勝軍　江達(dá)飛

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)超材料吸收器在寬波段上具有高吸收效率，本文利用金屬和介質(zhì)層堆砌成具有金字塔結(jié)構(gòu)的超材料吸收器。該種超材料吸收器結(jié)構(gòu)具有90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的特性，因此其在任意偏振上均能保持高吸收效率。經(jīng)過模擬計(jì)算可得，本文設(shè)計(jì)的超材料吸收器在波段為0.747～2.665μm時(shí)具有90%以上的吸收效率，而且TE和TM偏振具有相同的吸收效率。

關(guān)鍵詞：超材料;吸收器;偏振無關(guān)

中圖分類號(hào)：O441.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）25-0067-03

Esearch on Polarization Independent Supermaterial Absorber

WANG Chaosu HE shengjun JIANG dafei

（College of Information Engineering， Quzhou College of Technology，Quzhou Zhejiang 324000）

Abstract： In order to achieve high absorption efficiency in wide band， this paper used metal and medium layers to stack up a super material absorber with pyramid structure. This kind of super material absorber has 90° rotational symmetry， so it can maintain high absorption efficiency in any polarization. After simulation calculation， the supermaterial absorber designed in this paper has more than 90% absorption efficiency between the bands of 0.747～2.665μm， and TE and TM polarization have the same absorption efficiency.

Keywords： metamaterial;absorber;polarization independent

1 研究背景

超材料具有負(fù)折射率[1]、近零介電常數(shù)[2]、高靈敏度傳感器[3]等特性，而這些特性是自然界材料無法實(shí)現(xiàn)的，因此引起了人們的興趣。而實(shí)現(xiàn)超材料高吸收是超材料研究的一項(xiàng)熱點(diǎn)，因?yàn)榫哂懈呶招实某牧峡梢詰?yīng)用在太陽能電池等光電子器件中，可以顯著提高光電子器件的性能。

首次提出并設(shè)計(jì)出超材料吸收器的是Chestnut Hill大學(xué)的Landy等人，他們利用超材料成功研制出具有88%吸收效率的吸收器，吸收頻率在11.5GHz[4]。2016年，我國(guó)華中科技大學(xué)在石墨烯和金屬之間加入二氧化硅介質(zhì)層，成功設(shè)計(jì)出具有雙波段高吸收的吸收器，在波長(zhǎng)為35μm和59μm時(shí)具有97%以上的吸收效率[5]。但是，上述研究結(jié)果都是僅對(duì)單個(gè)或者雙個(gè)波長(zhǎng)具有高吸收效率，對(duì)其他波長(zhǎng)的吸收效率較低，這限制了其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。為此，一些學(xué)者提出與之不同的超材料吸收器結(jié)構(gòu)，以期能在連續(xù)波段上實(shí)現(xiàn)高吸收效率。例如，浙江大學(xué)何賽靈教授提出利用金屬金與石墨烯組合，在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了寬波帶吸收[6]。此外，越南一所高校利用介質(zhì)和金屬堆砌成圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了高吸收效率，吸收帶寬達(dá)到1 000nm[7]。

雖然一些學(xué)者能實(shí)現(xiàn)超材料在寬波帶具有高吸收效率，但其鮮有能在雙偏振上具有高吸收效率。為此，本文基于金屬和介質(zhì)材料設(shè)計(jì)了能在近紅外波段具有高吸收效率的超材料吸收器。本文設(shè)計(jì)的超材料吸收器對(duì)任何偏振都具有相同的吸收效率，并不會(huì)因?yàn)槠穹较虻母淖儯瑢?dǎo)致超材料吸收器吸收效率下降。

2 超材料吸收器結(jié)構(gòu)

圖1是超材料吸收器結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)由金屬金和介質(zhì)硅組成，金屬金和介質(zhì)硅的厚度分別式[tm]和[td];最下層金屬金和介質(zhì)硅的寬度是[wl];最上層金屬金和介質(zhì)硅的寬度是[wt];超材料吸收器總厚度是[T];單個(gè)超材料吸收器的周期為[P];而完整的超材料吸收器是由多個(gè)周期為[P]的超材料吸收器組合而成。其中，硅的折射率是3.48，而金屬金的色散用Drude模型來描述，如式1所示[8]。

[εAu=1-ω2pω2+iωγ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[ωp]為等離子體頻率，[ωp]=（1.367×1 016）rad/s;[γ]為衰減速率，[γ]=（1.256×1 014）rad/s。

3 模擬結(jié)果

利用時(shí)域有限差分法對(duì)上述超材料吸收器進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)[tm]=0.015μm、[td]=0.04μm、[wl]=0.19μm、[wt]=0.047 5μm、[T]=1.1μm、[P]=0.2μm時(shí)，超材料吸收器在波長(zhǎng)為0.747～2.665μm時(shí)能保持90%以上的吸收效率。由于超材料吸收器是在金屬金襯底上，而在本結(jié)構(gòu)中，金屬金襯底的厚度大于入射光的趨膚深度，因此，幾乎沒有光會(huì)透過金屬金襯底。從圖2（a）中可以看出，透射率幾乎為零。

另外，本文設(shè)計(jì)的超材料吸收器是偏振無關(guān)的，即超材料吸收器旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱，因此，在垂直入射下，任何偏振（TE/TM）都有很高的吸收效率，而且兩種偏振對(duì)應(yīng)的吸收效率是相同的。該種結(jié)構(gòu)的吸收器能在不同的偏振條件下應(yīng)用。超材料吸收器吸收率反射、透射及吸收特性如圖2所示。

圖3是超材料吸收器在不同波長(zhǎng)下的磁場(chǎng)分布。從圖中可以看出，隨著入射波長(zhǎng)的增加，光場(chǎng)的能量會(huì)往下聚集，在波長(zhǎng)為1μm時(shí)，光場(chǎng)聚集在寬度為56nm的波導(dǎo);當(dāng)波長(zhǎng)增加到1.5μm時(shí)，光場(chǎng)聚集在寬度為80nm的波導(dǎo);而當(dāng)波長(zhǎng)增加到2μm時(shí)，光場(chǎng)聚集在寬度為148nm的波導(dǎo)。由此可以得出，金屬金和介質(zhì)硅的寬度越大，越能吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的入射光，這為以后設(shè)計(jì)長(zhǎng)波長(zhǎng)超材料吸收器提供理論依據(jù)。這種現(xiàn)象可以用慢光波導(dǎo)的原理去解釋，金屬和介質(zhì)層堆砌而成的結(jié)構(gòu)形成了慢光波導(dǎo)，當(dāng)入射光進(jìn)入超材料吸收器后，由于慢光波導(dǎo)的作用，入射光的傳播速度會(huì)下降甚至降為零，從而使光被限制在超材料吸收器內(nèi)。而之所以隨著入射光波長(zhǎng)增大，其能量會(huì)向下聚集，是因?yàn)橹挥袑挼穆獠▽?dǎo)層才會(huì)降低光傳播速度[9]。

4 結(jié)論

本文利用慢光波導(dǎo)原理和有限時(shí)域差分法設(shè)計(jì)了具有高吸收效率且偏振無關(guān)的超材料吸收器，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的超材料吸收器在波長(zhǎng)為0.747～2.665μm時(shí)能連續(xù)保持高吸收效率，而且對(duì)于任何偏振，兩種偏振（TE/TM）均能在該波段具有高吸收效率。隨后利用慢光波導(dǎo)原理解釋了長(zhǎng)波長(zhǎng)入射能在寬波導(dǎo)聚集能量的原因，這為以后設(shè)計(jì)制備偏振無關(guān)高吸收效率超材料吸收器提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]S. Anantha R， Sangeeta C. Negative Refractive Index of Meta-materials at Optical Frequencies[J]. MRS Proceedings， 2006（964）：0964-R01-02.

[2]Andrea A， Mario S， Alessandro S， et al. Epsilon-near-zero metamaterials and electromagnetic sources： Tailoring the radiation phase pattern[J]. Physical Review B，2007（15）：155410.

[3]Dash R K， Sahu S K， Mishra C S， et al. Realization of ‘non-linear invisibility cloak’ using meta-material[J].Optik，2016（20）：9635-9639.

[4]Landy N，Sajuyigbe S，Mock J J，et al. Perfect metamaterial absorber[J]. Physical Review Letters，2008（20）：207402.

[5]Yao G，Ling F R，Yue J ，et al. Dual-band tunable perfect metamaterial absorber in the THz range[J].Optics Express，2016（2）：1518-1527.

[6]He S L， Chen T.Broadband THz Absorbers With Graphene-Based Anisotropic Metamaterial Films[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2013（6）：757-763.

[7]Nguyen T Q H ， Phan H L ， Phan D T ， et al. Numerical Study of a Wide-Angle and Polarization-Insensitive Ultrabroadband Metamaterial Absorber in Visible and Near-Infrared Region[J]. IEEE Photonics Journal，2019（1）：2888971.

[8]江孝偉，武華，袁壽財(cái).基于金屬光柵實(shí)現(xiàn)石墨烯三通道光吸收增強(qiáng)[J].物理學(xué)報(bào)，2019（13）：138101.

[9]賈曉宇.基于表面等離子體的慢光研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.