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        偏振無(wú)關(guān)超材料吸收器的研究

        2019-09-10 03:51:55王超素何勝軍江達(dá)飛
        河南科技 2019年25期
        關(guān)鍵詞:吸收器

        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(chēng)的特性,因此其在任意偏振上均能保持高吸收效率。經(jīng)過(guò)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(wú)關(guān)

        中圖分類(lèi)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(wú)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(yáng)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?,?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(lái)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(méi)有光會(huì)透過(guò)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(wú)關(guān)的,即超材料吸收器旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱(chēng),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?zhuān)饘俸徒橘|(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(wú)關(guān)的超材料吸收器,通過(guò)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(wú)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):

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        [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.

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