Author Affiliations
Abstract
1 School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, Shanghai 200093, China
We propose an ultra-broadband near- to mid-infrared (NMIR) tunable absorber based on VO2 hybrid multi-layer nanostructure by hybrid integration of the upper and the lower parts. The upper part is composed of VO2 nanocylinder arrays prepared on the front illuminated surface of quartz substrate, and VO2 square films and VO2/SiO2/VO2 square nanopillar arrays prepared on the back surface. The lower part is an array of SiO2/Ti/VO2 nanopillars on Ti substrate. The effects of different structural parameters and temperature on the absorption spectra were analyzed by the finite-difference time-domain method. An average absorption rate of up to 94.7% and an ultra-wide bandwidth of 6.5 μm were achieved in NMIR 1.5–8 μm. Neither vertical incident light with different polarization angles nor large inclination incident light has a significant effect on the absorption performance of the absorber. The ultra-broadband high absorption performance of this absorber will be widely used in NMIR photodetectors and other new optoelectronic devices.
Broadband absorber Vanadium dioxide Perfect absorption Metamaterials Thermal tuning Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2022017
内蒙古大学电子信息工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010021
太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件, 被广泛应用于生物医学传感、 电磁隐身、 军用雷达等多个领域。 但这种传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、 功能单一、 性能指标不足等缺点, 已经无法满足复杂多变的电磁环境的要求, 因此可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点。 为实现超材料吸收器吸收特性的调谐, 通常从调节谐振单元或基底材料的电磁特性或调节超材料结构单元的几何尺寸两个方面出发。 设计了一种基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器。 该吸收器由工字型二氧化钒谐振层、 连续石墨烯层和被Topas介质隔开的金属反射层组成。 数值模拟结果表明, 当二氧化钒材料处于全金属状态(电导率为200 000 S·m-1)且石墨烯的费米能级设为0.1 eV时, 吸收率超过90%的吸收带宽达到了2.8 THz。 通过调节石墨烯的费米能级, 使其在0.1~0.3 eV之间变化时, 该吸收器的工作频率发生了明显的蓝移。 由于二氧化钒材料从绝缘状态到金属状态的相变特性, 通过控制电导率使其在100~200 000 S·m-1之间变化时, 所提出的宽频结构在反射器和吸收器两种工作状态之间自由切换。 此外, 还分别监测了该超材料吸收器在1.87, 3.04和4.16 THz三个完美吸收峰处的表面电流分布, 讨论了其工作机理。 所设计的结构通过石墨烯和二氧化钒两个独立可调“开关”实现了对吸收器工作频率和吸收振幅的双重控制, 为设计多功能太赫兹器件提供了新的发展思路。
太赫兹 可调谐 宽带吸收器 石墨烯 二氧化钒 Terahertz Tunable Broadband absorber Graphene Vanadium dioxide 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1257
1 南京邮电大学电子与光学工程学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
为了解决宽带吸收器结构设计复杂的问题，提出了一种结构简单、偏振不敏感、吸收性能优良的超材料太赫兹宽带吸收器。该吸收器采用对称结构设计，以金属层--介质层--金属层的三层架构为基础。其中，介质层中嵌入了两个不同尺寸的圆形金属片，从而形成多层结构。采用频域有限元法(Frequency Domain Finite Element Method, FEM)分析了该吸收器的宽带吸收率、偏振敏感性和入射角度等特性。仿真结果表明: 该吸收器可以实现5.86~7 THz的宽带吸收，吸收带宽为1.14 THz，带宽内的吸收率在95%以上，且对于垂直入射的电磁波偏振并不敏感，在一定入射角度内依然保持宽带吸收。该吸收器结构设计简单且具有优良的性能，在太赫兹成像和电磁隐身等领域中具有重要的应用价值。
太赫兹 超材料 多层结构 偏振不敏感 宽带吸收器 terahertz metamaterial multilayer structure polarization-insensitive broadband absorber
1 四川轻化工大学化学与环境工程学院，四川 自贡 643000
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
电磁超材料完美吸收器独特的亚波长结构能够与入射电磁波产生有效的电磁共振，在特定的频率范围内能够达到近乎100%的完美吸收。近年来，电磁超材料完美吸收器，特别是太赫兹波段完美吸收器受到了国内外研究人员的广泛关注，取得了一定进展。综述了基于太赫兹波段的电磁超材料完美吸收器的研究进展，阐述了超材料吸收器的基本结构特征、性能以及理论模型，并对太赫兹完美吸收器的未来发展趋势以及应用前景作了简要探讨。
材料 电磁超材料完美吸收器 太赫兹单频吸收器 太赫兹双/多频吸收器 太赫兹宽频吸收器 太赫兹可调谐吸收器 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1100006
1 安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学建筑机械故障诊断与预警重点实验室，安徽 合肥 230601
3 工程机械智能制造重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国矿业大学（北京）网络与信息中心，北京 100083
为了实现宽带吸波器的动态可调功能，设计出一种由顶层“方环内嵌十字”、二氧化硅介质层以及二氧化钒薄膜底层组成的对称吸波器结构。在2~4 THz范围内，通过调节二氧化钒薄膜底层的电导率可以实现由低于10%的吸收效率调整至高于90%的吸收效率，切换调制深度大于65%。在宽频带范围内，可以实现动态切换该器件的反射和完美吸收功能。仿真结果表明，该吸波器具有宽角度特性和极化不敏感特性，入射角度范围达到75°。基于以上优点，该吸收器在智能衰减器、反射器以及空间调制器等太赫兹器件应用方面有巨大的潜力。
材料 二氧化钒 宽带吸收器 可切换功能 极化不敏感特性 太赫兹 激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1316001
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
设计了一种太赫兹频段偏振不敏感宽带吸波器,吸收谱半峰全宽(FWHM)为2.29 THz,吸收率在97%以上的带宽约为1.65 THz,在某些谐振频率点的吸收率可达99.9%,实现了近100%的完美吸收。该吸波器将3层结构相同但尺寸不同的周期单元堆叠,有效扩展了带宽。分析了吸收机理,讨论了不同结构参数对吸收性能的影响。仿真结果表明,该吸波器具有与偏振无关的吸收特性,可在一定的入射角度范围内保持较宽的带宽。具有偏振不敏感特性的宽带高吸收率太赫兹吸波器在太赫兹成像、太赫兹波探测、电磁隐身等应用中具有非常重要的研究价值。
材料 超材料 太赫兹 宽带吸波器 偏振不敏感 中国激光
2019, 46(12): 1214002
1 天津工业大学电子与信息工程学院天津市光电检测技术与系统重点实验室, 天津 300387
2 南开大学现代光学研究所, 天津 300071
提出了一种基于双复合结构层(CSLs)的宽带太赫兹超材料吸收体,其中复合结构层I由4个不同的圆环金属结构组成,复合结构层II由4个不同的方形金属结构组成。采用时域有限差分法详细研究和讨论了吸收体的吸收谱线、磁场能量分布、表面电流分布,以及偏振角度和入射角度对吸收的影响。结果表明:该吸收体能够有效抑制高阶共振峰,特别是当太赫兹波正入射时,吸收率大于90%的吸收带宽可达0.722 THz,中心频率为2.041 THz。
材料 超材料 太赫兹 复合结构 宽带吸收体 时域有限差分法
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
为了实现对3~5 μm中红外光的完美吸收, 仿真设计了一种基于W/VO2周期性纳米盘阵列的可调中红外宽频吸收器, 利用时域有限差分法模拟计算了结构参数对吸收器性能的影响.在最佳结构参数条件下, 吸收器表现出偏振无关和广角吸收的特性, 在3.1~3.6 μm范围内吸收率达99%以上, 峰值吸收率为99.99%.低温时入射光的磁场被束缚在各单元VO2介质层的中心并得到完美吸收; 高温时VO2发生相变表现为金属相, 抑制吸收, 高低温的吸收率差值可达78.8%.该吸收器有效弥补了传统吸收器吸收频带窄、吸收率不可调的缺陷, 对中红外光电器件的应用有参考价值.
超材料 宽频吸收器 中红外 表面等离子体共振 时域有限差分 偏振无关 广角吸收 Metamaterial Broadband absorber Mid-infrared Surface plasmon resonance Finite-Difference Time-Domain Polarization-independent Wide-angle absorption
