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根据多尺寸结构特性和阻抗匹配理论,设计一种矩形层叠结构的超宽带完美吸收器。该吸收器由两层不同尺寸的金属-半导体薄膜-半导体组成,其可以激发多种谐振模式,实现超宽带的完美吸收。采用时域有限差分法研究和分析吸收器的吸收光谱和电磁场能量分布,以及偏振角和入射角对吸收性能的影响。数值计算结果表明,该吸收器在可见光-中红外范围内的平均吸收率高于97%,并具有偏振独立性;当入射角度为60°时,平均吸收率仍高于90%;宽波段的完美吸收由间隙表面等离激元、传导表面等离激元和法布里-珀罗谐振等多种模式的共同作用来实现。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
一种矩形层叠结构的超宽带完美吸收器
刘 媛 媛
,
刘 唤
,
刘 坤
,
朱 路
华东交通大学信息工程学院
江西
南昌
摘要
根据多尺寸结构特性和阻抗匹配理论
设计一种矩形层叠结构的超宽带完 美吸 收器
该吸 收器 由两层 不同
尺寸的金属
半导体薄膜
半导体组成
其可以激发多种谐振模式
实现超宽带的完美吸收
采用时域有 限差 分法研
究和分析吸收器的吸收光谱和电磁场能量分布
以 及偏 振角 和 入射 角对 吸 收性 能的 影 响
数 值计 算结 果 表明
该
吸收器在可见光
中红外范围内的平均吸收率高于
并具有偏振独立性
当入射角度为
时
平均 吸收 率仍高
于
宽波段的完美吸收由间隙表面等离激元
传导表面等离激元和法布里
珀罗谐振等多 种模 式的共 同作 用来
实现
关键词
光学器件
吸收器
阻抗匹配
中红外
宽波段
中图分类号
文献标志码
doi
Ultra-broadband
Perfect
Absorber
with
Rectan
g
ular
Multila
y
er
Structure
School
o
f
In
f
ormation
En
g
ineerin
g
East
China
Jiaoton
g
Universit
y
Nanchan
g
Jian
g
xi
China
Abstract
Ke
y
words
OCIS
codes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
江西省杰 出青 年人才 资助 计划
江西 省教 育厅 科
学技术研究重点项目
江西省重点研发计划
E-mail
引
言
超材料是一 种由人工设 计的亚波长 结构材料
通过改变超材料结构的形状和尺寸来调节其介电常
数和磁导率
这 在 传 感
能 量 收 集
隐 身
和
滤波
等方面具有广 阔 的应用前 景
随 着 超 材 料
的发展
基于超材料 结 构的完美 吸 收器成为 了 研究
热点
完美吸收是指吸收器在特定的波段内对光波
具有高吸收的表现
其可分为 窄 带完美吸 收 和宽带
完美吸收
等
提 出 了 超 材 料 完 美 吸 收 器
其在太赫兹波段内实现了
的吸收率
但受限于
窄带电磁波的吸收
在热发射
和太阳能收 集
等领域中不能广泛应用
近年来
为了实现对宽带电磁波的有效捕获
研
究者设计了不同结构的超材料完美吸收器
文
献
提出 了 一种金属
绝缘体
金属的结构
该
结构利用金属顶层实现了对宽波段电磁波的有效捕
获
但制备顶层所需的光刻技术较为复杂
限制了其
重复性制备和大规模应用
研 究 者 提 出 了 由 金 属
半导体
绝缘体组成的多层结构
而且制备过程中对
光
学
学
报
光刻精度 的 要 求 较 低
文 献
设 计 了 一 种
层金
硅吸收器
在
的 光 谱 范 围 内 实
现了超过
的 吸 收 率
为 了 拓 宽 吸 收 频 带
文
献
将
层金
硅纳米柱与圆环柱结合
在
的 光 谱 范 围 内 实 现 了 超 过
的 平 均 吸
收率
文献
提出了一种多尺寸的
层金
硅圆
盘吸收器
在
的 光 谱 范 围 内 实 现 了
的平均吸收率
上述吸收器结构普遍采用贵
金属材料来以提高 吸收器的 吸 收率
但使用贵 金 属
材料会增加实 际 的 生 产 成 本
文 献
采 用 了
二氧化硅
钨的层叠 结 构实现结 构 与自由空 间 的阻
抗匹配
在较 宽 波 段 的 平 均 吸 收 率 超 过
但 增
加了制备难度
文献
在钨与砷化镓之间覆盖一
层砷化镓薄膜
实现了带宽超过
的完美吸
收
文献
通过叠加
层多尺寸 的 铬
三氧化二
铝
在
的 光 谱 范 围 内 实 现 了 完 美 吸
收
上述层叠结构 虽然具有 较 高的吸收 率
但仍存
在吸收波段窄
使用 贵 金属材料 或 层数叠加 较 多的
问题
因此研究一种简单结构
低成本和超宽带的完
美吸收器在太阳能捕获等领域具有重要意义
结合 多尺寸结构 特性和阻抗 匹配理论
本文设
计一种矩形层叠的金属
半导体薄膜
半导体吸收器
该吸收器中的金属材料采用低成本的钛
和铬
半导体选用 具有类贵金属 特 性的砷
化镓
这可以在可见光到中红外波段
实 现 完 美 吸 收
采 用 时 域 有 限 差 分
法研 究 矩 形 层 叠 吸 收 器 的 物 理 吸 收 机 制
详细讨论结构的几 何参数和 材 料的选取
以及偏振
角和入射角对吸收性能的影响
完美吸收器结构与计算方法
超宽带完美吸收器由两层不同尺寸 的 金 属
半
导体 薄 膜
半 导 体
组 成
结 构 如 图
所 示
非贵金属
和
在室温下的 熔点分 别 为
和
在近红外和中红外波段具有优良的吸收
表现
半导体
具 有 与 贵 金 属 相 似 的 吸 收 特 性
以及较高的介电常数
衬底层和中间层采用的非贵
金属材料分别为
和
半 导 体 材 料 选 用
金属和半导体 材料的介 电 常 数 采 用
设 计
的实验值
矩形层叠结构的周期和各层宽度分别为
P
w
和
w
各层厚度分别为
h
h
h
和
h
结构
的侧视图如图
所示
图
吸收器结构
阵列结构
单元侧视图
仿真模拟的过程中
在
x
轴和
y
轴的方向上 使
用周 期 性 边 界
在
z
轴 的 方 向 上 使 用 完 美 匹 配 层
设置的网格步长为
使用
软
件对矩形层叠吸收 器的各参 数 进行扫描 分 析
得到
的最优取值如表
所示
衬底
的厚度
h
优化为
其远大 于 趋 肤 深 度
这 可 以 阻 止 入 射 光 穿
过基底
因此该吸收器 中 的透射率 几 乎等于零
当
透射率接近零时
吸收率
A
λ
与反射率
R
λ
的关
系可以表示为
A
λ
R
λ
其 中
λ
为 入 射 波
长
为了实现吸收器的 完美吸收
即
A
λ
需使反射率尽可能 小
因此匹配 吸 收器结构 与 自由
空间的阻抗是关键
考虑到结构阻抗与金属材料具
有紧密的联系
当吸收器采用不同的金属材料时
其
结构阻抗不同
因此 可 采用阻抗 变 换方法来 分 析其
吸收差异
从而为金属材料的选取提供指导
表
吸收器结构的参数设置
P
w
w
h
h
h
h
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