偏振无关高吸收效率宽吸收带宽超材料吸收器 
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1 引言
超材料是人造材料,能够实现自然界材料无法实现的功能,如负折射率[1]、隐身斗篷[2]、近零介电常数[3]、超快调制[4]和高灵敏度传感器[5]等。目前对于超材料的研究更多地集中在如何通过人工剪裁实现所需要的介电常数和磁导率[6],并减少超材料对能量的吸收。然而增加超材料对能量的吸收有助于其在一些器件上的应用,如高灵敏度探测器[7]和太阳能电池[8]等。
自2008年Landy等[9]设计出第一款能够在太赫兹(THz)波段实现单峰高吸收效率的超材料吸收器后,许多科研团队纷纷投入该领域研究,并设计出不同类型的超材料吸收器。2015年西北工业大学利用氟化镁和石墨烯设计出能够在THz波段双峰吸收的超材料吸收器,而且通过调节石墨烯的化学势,可以调谐吸收峰波长[10]。2016年华中科技大学利用金为衬底、二氧化硅为介质层,结合椭圆形石墨烯设计出双峰吸收的超材料吸收器,双峰吸收波长分别为40 μm和60 μm[11]。然而,上述超材料吸收器仅能在单个或者两个波长处有高吸收效率,无法在某个波段有高吸收效率,这限制了其在某些领域的应用,因此一些科研团队希望设计出宽吸收带宽超材料吸收器。
2019年越南荣市大学利用硅和金设计出圆台型的超材料吸收器,该吸收器可在可见光和近红外波段实现1000 nm的吸收带宽[12];2018年重庆大学吴颖波团队[13]利用石墨烯、金和介质层设计出在THz波段的宽带超材料吸收器;2017年西安电子科技大学提出在电介质基片上制作具有集总电阻的金属带,在7~14 GHz范围内实现90%以上的吸收效率[14];2013年浙江大学何赛灵科研团队[15]利用石墨烯和金设计了金字塔型的超材料吸收器,该吸收器利用慢光波导原理成功实现在10~100 THz范围内90%以上的高吸收效率。
虽然许多科研团队设计出了高吸收效率宽带超材料吸收器,但是这些超材料吸收器多集中在THz波段,在可见光和近红外波段的研究非常稀少;另外这些超材料吸收器大多数只对某一偏振有效,当偏振方向发生变化时,超材料吸收器无法实现高吸收效率,这也会限制其应用。为此,本文集中解决上述超材料吸收器的缺点,利用硅和金属金材料设计出了在整个近红外波段偏振无关的高吸收效率超材料吸收器。设计的超材料吸收器可以在入射光倾斜照射下实现高吸收,更加有利于其在太阳能电池和高灵敏度探测器上的应用。
2 等离子体慢光波导原理
表面等离子体效应是在金属表面自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电磁表面波,电磁波分布在金属表面附近,能量被高度局域化。另外金属具有欧姆热效应,因此电磁波会发生能量损耗,所以其传输距离有限,一般为纳米量级[16]。
由于表面等离子体效应能够限制光的表面传输特性,所以利用表面等离子体效应形成慢光波导是可能的[17]。由金属-电介质-金属构成的光波导如
式中:n为波导的等效折射率;ω为入射光角频率。当入射光照射波导发生强烈色散时,ω(dn/dω)会变大,导致vg大幅度下降,从而使
3 吸收器结构
基于表面等离子体慢光波导,设计了偏振无关高吸收效率宽吸收带宽超材料吸收器(PHWA),该吸收器是使用金属金(Au)和介质硅交替堆砌成金字塔形状的周期性结构,如
使用Drude模型,金的相对介电常数表达式为[18]
式中:ωp=1.367×1016 rad/s为等离子体频率;γ=1.256×1014 rad/s为衰减速率。硅在物理模型中的折射率设为3.48。
4 结果与讨论
利用时域有限差分法(FDTD)建立PHWA模型,如
图 2. 超材料吸收器结构模型示意图。(a)三维结构图;(b)结构单元平面图
Fig. 2. Schematic of metamaterial absorber structure model. (a) Three-dimensional structure; (b) plane diagram of structural elements
在入射光垂直照射下(TM偏振态),PHWA可以在波长0.747 μm和2.665 μm之间保持90%以上的吸收效率,吸收带宽为1.918 μm,具体结果如
PHWA之所以对入射光有高吸收效率,是因为硅和金构成慢光波导,慢光波导可以使光速降低甚至降到零,这有助于波导对光束的吸收。研究发现不同宽度的慢光波导可以令不同波长的光降速,使被降速的光限制在波导层,所以将不同宽度的慢光波导堆砌成金字塔形状,可以使PHWA具有较大的光吸收带宽[19-20]。
图 3. FDTD中的PHWA模型。(a) PHWA平面图; (b) PHWA立体图
Fig. 3. PHWA model in FDTD. (a) PHWA plan; (b) PHWA three-dimensional picture
图 4. 不同偏振态下PHWA的光吸收效率。(a) TM偏振下PHWA的光吸收、反射和透射;(b) TE和TM偏振态下PHWA对光的吸收
Fig. 4. Optical absorption efficiency of PHWA under different polarization states. (a) Light absorption, reflection, and transmission of PHWA under TM polarization; (b) light absorption of PHWA under TE and TM polarizations
图 5. 材料厚度对吸收带宽的影响。(a)金属层厚度;(b)介质层厚度
Fig. 5. Influence of material thickness on absorption bandwidth. (a) Metal layer thickness; (b) dielectric layer thickness
经过计算发现PHWA的金属/介质层对数N对其吸收带宽也有较大影响,如
N值相同时,不同的波导层宽度对PHWA吸收带宽的影响也不同,如
为了让N保持20,则其Wt势必也要增大(从0.0475 μm增加到0.055 μm),因此其最小的吸收波长会从0.7159 μm红移到0.919 μm。
目前已经有相关文献报道利用超材料吸收器提高太阳能电池的光转换效率,由于太阳光从不同角度照射到太阳能电池上,所以需要超材料吸收器能够在入射光以不同的角度入射时保持较高的吸收效率[21-22]。
图 8. 不同波长下PHWA磁场分布。(a) 1 μm;(b) 1.5 μm;(c) 2 μm
Fig. 8. PHWA magnetic field distribution at different wavelengths. (a) 1 μm; (b) 1.5 μm; (c) 2 μm
图 9. 不同入射角对PHWA吸收效率的影响
Fig. 9. Effect of different incident angles on PHWA absorption efficiency
5 结论
基于FDTD模拟计算了由硅和金构成的旋转对称金字塔形PHWA,通过模拟计算发现在垂直入射条件下,PHWA的吸收效率与偏振无关,即TE/TM偏振态下吸收效率完全相同。当tm=0.02 μm,td=0.04 μm时PHWA具有最大吸收带宽,其吸收带宽随着N的增加而增加,而且慢光波导的底端宽度增加会使吸收波长往长波长方向扩展。另外在TM偏振状态下,PHWA在大的光入射角条件下依然可以保持较高的光吸收效率,当入射角小于40°时,PHWA的光吸收效率在整个近红外波段可维持在90%以上。
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王超素, 江达飞, 江孝伟. 偏振无关高吸收效率宽吸收带宽超材料吸收器[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(3): 031601. Chaosu Wang, Dafei Jiang, Xiaowei Jiang. Polarization Independent High Absorption Efficiency Wide Absorption Bandwidth Metamaterial Absorber[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(3): 031601.
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