红外与激光工程
2023, 52(3): 20220532
电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论, 采用三维电磁仿真软件CST, 对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明, 双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后, 在保持较高的红外吸收特性的基础上, 减少了探测单元热容, 从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%, 满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。
微测辐射热计 光学仿真 小像元 吸收率 微桥结构 microbolometer optical simulation small pixel absorptivity micro-bridge structure
1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
3 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 710699
为了实现低温辐射计工作温度4 K条件下吸收腔吸收率的测量，研究了变温条件下吸收腔吸收率的测量方法。通过在低温辐射计布儒斯特窗口前设计反射监测组件，并控制低温辐射计工作在10−6 Pa的真空环境下，调节低温辐射计制冷温度，分别测量室温条件和不同温度条件下低温辐射计吸收腔在632.8 nm处的反射信号，结合利用传统积分球法在室温条件下低温辐射计吸收腔632.8 nm处反射率的测量结果，通过计算可精确得到不同温度条件下低温辐射计吸收腔的吸收率。实验测量吸收腔在室温条件和4 K温度条件下的吸收率，分别为0.99976和0.99971，对4 K条件下低温辐射计吸收腔吸收率的测量不确定度进行评定，得到的结果显示其相对扩展不确定度为0.005%（k=2）。
低温辐射计 吸收腔 反射率 吸收率 cryogenic radiometer absorbing cavity reflectivity absorptivity 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210984
中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100
本文通过测量30~100 mmol/L低浓度水溶液的红外吸收光谱，计算了的摩尔吸光系数。利用以硒化锌为基底的红外单次衰减全反射（ATR）附件测量30~100 mmol/L浓度水溶液的红外吸收光谱，将模拟的纯水的衰减全反射光谱作为基线，对水溶液的红外吸收光谱进行基线调整；利用Kramers-Kronig关系计算了溶液的折射率和消光系数，并进一步计算出溶液的有效光程及低浓度水溶液的摩尔吸光系数，计算得到的的最大摩尔吸光系数为2421.99 L/（mol?cm）。
光谱学 红外吸收光谱 基线调整 Kramers-Kronig关系 摩尔吸光系数 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1930001
1 淮南师范学院电子工程学院, 安徽 淮南 232038
2 华东交通大学信息工程学院, 江西 南昌 330013
基于多尺度特征结构堆叠与法布里-珀罗共振原理,设计了一种宽波段高吸收的多层齿轮形超材料吸收器,该吸收器由两层不同尺度的介质-金属堆叠组成。采用时域有限差分方法分析其吸收特性,数值仿真结果表明,该吸收器在300~4000 nm的波长范围内的吸收率均在89%以上,平均吸收率可达94%,呈现一定的偏振不敏感特性,在60°大角度斜入射时,平均吸收率仍能保持93%。通过对谐振波长处的电磁场分布进行分析,可以得出,该吸收器的宽波段高吸收特性主要由法布里-珀罗共振、表面等离子体共振、局域表面等离子体共振以及多种共振相互间的杂化耦合作用决定。这种宽波段高吸收、大角度吸收、偏振不敏感的吸收器在光伏电池、隐形设备等领域具有潜在的应用价值。
光学器件 超材料 吸收器 宽波段 高吸收率 光学学报
2021, 41(18): 1823001
南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏 南京 210023
基于光学Tamm态(OTS)的局域场增强特性和石墨烯的电控特性,提出一种含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属(M-DBR-M)复合结构。考虑石墨烯层对介质界面连续性的影响,基于修正的传输矩阵法建立完善的理论模型,并研究结构参数以及驱动电压对OTS特性的影响。结果表明,随着驱动电压的增大,两个OTS的本征波长均发生蓝移,当驱动电压大于石墨烯的突变电压时,本征波长发生蓝移且趋于稳定,说明可以通过电控石墨烯来实现OTS的本征波长在一定范围内动态可调;增大DBR周期数,两个OTS的本征波长分别发生红移和蓝移,说明吸收率对周期数的波动具有鲁棒性;入射端的金属层厚度在25~35 nm之间,能够实现完美吸收;出射端的金属层厚度则在70 nm处有吸收率的极大值。
光谱学 石墨烯 光学Tamm态 金属-分布式布拉格反射镜 吸收率 中国激光
2021, 48(16): 1613001
昆明理工大学材料科学与工程学院, 云南 昆明650093
为减少选区激光熔化铜成形过程中铜粉对激光的反射,提高激光吸收率和成形件致密度,通过机械球磨使用具有高激光吸收率的纳米TiC对粒径为15~53 μm的铜粉进行改性。结果表明:改性后的铜粉对激光的吸收率由22%提高到53.7%;在激光功率为340 W、扫描速度为500 mm/s条件下成形的试样,其致密度由改性前的90.7%提高到99.8%。采用纳米TiC对铜粉进行改性,实现了铜粉对激光吸收率的大幅度提升和小功率激光扫描条件下选区激光熔化高致密铜的成形。
激光技术 选区激光熔化 纳米TiC改性 铜 吸收率 致密度
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室，长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 暨南大学，广州市可见光通信工程技术重点实验室，广州 510632
为增强硅的蓝光吸收，在硅表面设计银纳米颗粒阵列，基于局域表面等离激元共振效应对增强的硅蓝光吸收特性进行了分析研究。采用有限时域差分法计算银纳米颗粒阵列/硅复合结构中硅的蓝光吸收特性。结果表明：金属颗粒的消光能力与其几何参数有关，改变银纳米颗粒阵列的半径r、高度H与周期P可调控局域表面等离激元共振强度与共振频率，当银纳米颗粒阵列参数设定为：r = 18.5 nm、H = 45 nm、P = 49 nm时，在共振吸收波长为465 nm的情况下，硅的蓝光吸收率由59%增加至94%，光吸收增益为0.57，光生载流子数目增益为0.53，分析认为是局域表面等离激元共振增强硅在蓝光波段的光吸收导致上述增益现象。本文的研究结果对了解局域表面等离激元效应，改善硅的蓝光吸收特性，设计和制备高蓝光响应度硅基可见光光电探测器具有重要的参考价值。
localized surface plasmon silicon blue light absorptivity FDTD method 局域表面等离激元 硅 蓝光 吸收率 有限时域差分法
1 淮南师范学院电子工程学院, 安徽 淮南 232000
2 华东交通大学信息工程学院, 江西 南昌 330013
结合多层波导结构与杂化耦合理论,设计了一种宽波段、高吸收率的多层矩形吸收器。该吸收器由矩形缝隙天线与多层金属-介质-金属矩形结构组成,采用时域有限差分方法分析了该吸收器在宽波段、不同偏振状态以及大角度斜入射条件下的吸收特性。数值分析结果表明,该吸收器在400~1400 nm波段的平均吸收率可达95%,呈一定的偏振不敏感特性,且60°斜入射时仍能保持93%的平均吸收率。通过监测谐振频点下的电磁场分布,发现该吸收器的宽波段高吸收特性主要由法布里-珀罗共振、慢波效应、局域表面等离子体共振及他们之间的杂化耦合作用决定。这种宽波段、高吸收、对偏振与斜入射角度不敏感的吸收器,有望在隐形设备、太阳能电池等领域发挥重要的作用。
光学器件 超材料 吸收器 宽波段 吸收率 光学学报
2020, 40(15): 1523001
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。
光谱吸收率 光栅 红外微测辐射热计 等离激元 Spectral absorptivity Grating Infrared Microbolometer SPP 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2647
