極化控制的雙波段寬帶紅外吸收器研究?

楊鵬 韓天成

(西南大學物理科學與技術學院,重慶 400715)

1 引 言

基于電磁超構材料的完美吸收器(perfect metamaterial absorber,PMA)通過合理設計單元結構可實現對特定頻段電磁波的100%吸收,與傳統的吸波材料相比,它具有吸波強、厚度薄、質量輕、吸波頻段靈活可調等諸多優點[1],在等離子體傳感器[2]、熱電子光探測器[3]、紅外隱身[4]、輻射制冷[5,6]等方面有重要應用前景.Landy等[7]首次提出的PMA是由表層金屬諧振環(electric ring resonators,ERRs)、中間的介質層以及底部的金屬線組成,該結構僅在單頻實現了完美吸收,且只對橫磁(transverse magnetic,TM)波有效.隨后,底層是金屬板的金屬-介質-金屬(metal-insulatormetal,MIM)型PMA由于其高吸收率已被廣泛研究[8?10].然而,窄帶吸收限制了PMA的應用,利用高損耗材料[11,12]或金字塔型多層結構[13,14]可以有效地拓寬吸收頻帶.

一維光柵型吸收器由于其結構簡單、易于加工的優勢備受關注,然而其不足之處是頻帶很窄且只對一種極化有效[15,16],這是由于導致吸收的磁激元共振的激發需要一個與結構截面垂直的磁場分量.為了拓寬吸收頻帶,人們提出了在一個周期單元內放置兩個不同尺寸的金屬條[17]、四個不同尺寸的金屬條[18]以及金字塔型多層結構[19],然而這些結構都只能吸收TM波,對橫電(transverse electric,TE)波無效.隨后,Wu等[20]基于導波模式諧振實現了一維光柵型結構對TE波的吸收.Chern等[21]提出了利用介質-金屬光柵-介質的三層結構分別實現TM波和TE波的吸收.Feng等[22]提出了利用兩層金屬-介質雙層膜垂直層疊的方法,同時實現了對TM波和TE波的吸收,但是吸收頻帶非常窄(幾乎是單頻),這就使得其應用價值大打折扣.

本文基于光柵結構實現了對TM波和TE波的高效、寬頻吸收,對TM波在1.68—2μm波段吸收超過90%,對TE波在3.8—3.9μm波段吸收超過90%.與Feng等[22]的結果相比,本文提出的結構極大地拓寬了吸收帶寬,且不同的極化波對應不同的吸波頻段,為其應用提供了更多的選擇和更大的靈活性.

2 結構設計

本文提出的雙波段寬帶紅外吸收器的基本結構單元如圖1(a)所示.該吸收器由金屬底板和八個尺寸漸變的子單元組成,每一個子單元由兩層金屬-介質雙層膜垂直層疊組成.通過仿真優化確定的基本結構單元周期P為11μm,金屬底板上每個子單元周期S為1.45μm,上層介質厚度d和下層介質厚度t分別為0.69μm 和0.2μm,金屬層的厚度h均為0.05μm.沿著x方向,八個子單元的寬度w依次為w1=0.23μm,w2=0.223μm,w3=0.215μm,w4=0.205μm,w5=0.203μm,w6=0.2μm,w7=0.18μm,w8=0.179μm,在y方向上為無限長.

圖1 (a)吸收器的基本結構單元示意圖;(b)對TM波吸收超過90%的吸收譜;(c)對TE波吸收超過90%的吸收譜Fig.1.(a)Schematic diagram of the basic unit of the proposed absorber;(b)absorption spectrum for TM wave above 90%;(c)absorption spectrum for TE wave above 90%.

3 數值模擬與分析

基于有限元方法對所設計的雙波段寬帶紅外吸收器進行了數值模擬.仿真中將x,y方向的邊界條均設置為周期邊界條件,采用平面電磁波作為入射激勵源.結構設計中的所有金屬材料均為金,其電導率為4.56×107S/m.介質層材料選為鍺(Ge),這是一種折射率n=4的無損材料[23].通過結構尺寸的優化,可以調控該吸收器的等效介電常數和等效磁導率,使二者接近一致.此時,紅外吸收器與空氣界面將滿足阻抗匹配條件,從而實現對特定頻率的電磁波的吸收.吸收率A可表示為A(ω)=1?T(ω)?R(ω),其中ω表示入射電磁波的角頻率,T(ω)表示能量透射率,R(ω)表示能量反射率.由于底部為金屬板,因此透射率T(ω)=0,則可以得到A(ω)=1?R(ω).

在垂直入射的情況下,不同波段的吸收譜如圖1(b)和圖1(c)所示,紅色和藍色分別代表TM波和TE波的吸收譜,其中,入射波的電場方向垂直于xz平面時為TE波,入射波的電場方向平行于xz平面時為TM波.圖1(b)顯示對TM波在1.68—2μm波段的吸收率超過90%,而對TE波的吸收非常小(<6%).圖1(c)顯示對TE波在3.8—3.9μm波段的吸收率超過90%,而對TM 波的吸收非常小(<5%).因此,本文所提出的結構實現了對TM波和TE波在不同波段的獨立吸收.

為了深入理解本文提出的紅外吸收器的電磁吸收機理,我們以單個子單元為考察對象,其結構如圖2(a)所示.當入射波為TM波時,隨著wi的變化子單元的吸收譜如圖2(b)所示.在這里,子單元結構參數為S′=1.05μm,w1=0.24μm,w2=0.23 μm,w3=0.223 μm,w4=0.215 μm,金屬層和介質層的厚度與圖1(a)中的一致.從圖2(b)可以看出,子單元有兩個較好的吸收峰,且吸收峰隨著子單元尺寸的變化而發生平移.通過激發多諧振耦合[24],使得吸收頻點有效地連接起來(整體的吸收效率大于90%),從而可以達到寬帶吸收的效果.這正是本文提出的吸收器在TM波下呈現出寬帶吸收的物理機理.接下來考察子單元在諧振吸收峰處的電場分布,以w3為例,共振波長在1.74μm和1.86μm處的電場分布如圖2(c)和圖2(d)所示.從圖中可以看出,當共振波長為1.74μm時,電場主要集中在較低層金屬帶的兩側.這是由于電場環繞在分離層周圍形成渦旋電流[25],從而感應出一個較強的磁場,感應磁場與入射磁場會產生強相互作用,從而產生磁激元共振,這是實現電磁吸收的主要原因.同理,共振波長在1.86μm處時,可以看到電場同時集中在上下兩層金屬帶的兩側,此時的磁激元共振更強一些,導致吸收率接近100%.

圖2 (a)子單元的結構示意圖;(b)不同尺寸的子單元對TM波的吸收譜;(c)入射波長為1.74μm時的電場分布;(d)入射波長為1.86μm時的電場分布Fig.2.(a)Schematic diagram of a subunit;(b)absorption spectrum under TM wave with the change of wi;(c)the electric field distribution at λ =1.74 μm;(d)the electric field distribution at λ =1.86 μm.

當入射波是TE波時,隨著wi的變化,吸收譜如圖3(a)所示.可以看出,不同尺寸的子單元對TE波的吸收峰幾乎都達到了100%,實現了完美吸收.然而,隨著子單元尺寸的變化,吸收峰的平移量比較小,這就是本文所提出的吸波器對TE波的吸收帶寬沒有TM波寬的原因.進一步,考察子單元w3在共振波長為4μm時的電場分布,如圖3(b)所示.可以看到電場主要集中在上介質層,這是由于導波模式諧振的激發從而實現了完美吸收[21,22].為了更直觀地理解多諧振的耦合吸收,以TE波為例,考察整個單元在不同波長下的電場分布,如圖4所示.從圖中可以看出,隨著入射波長的減小,諧振單元從大尺寸子單元向小尺寸子單元轉移,并且每個波長都對應多個諧振單元.

圖3 (a)不同尺寸的子單元對TE波的吸收譜;(b)子單元的電場分布Fig.3.(a)Absorption spectrum of the subunit under TE wave with the change of wi;(b)the electric field distribution of the subunit at λ =4 μm.

圖4 整個單元在TE波入射下的歸一化電場分布Fig.4.The normalized electric field distribution for the whole unit under TE wave incidence.

在實際應用中,空間傳輸的電磁波常常來自于不同的方向,這就要求吸收器具有寬角度吸收特性.為了檢驗所提出的結構在不同入射角度下的性能表現,TM波和TE波在不同入射角度時的吸收譜分別如圖5(a)和圖5(b)所示.首先,對TM波,當入射角小于20?時,能夠保持吸波帶寬不變且吸收率都在90%以上.但是隨著角度的增大,吸收率會有所下降,這主要是由于隨著入射角度的增加,結構間的諧振磁通量將變小.總體而言,即便是入射角達到60?,對TM波依然保持了較寬的吸波頻帶和較高的吸收效率.對TE波,不同角度入射時的吸收譜如圖5(b)所示,隨著入射角度的增大,吸收率始終保持較高,但吸收頻帶的中心波長會向短波方向逐漸偏移,這是由于結構單元的等效電容和電感隨著電磁波入射角度的增加逐漸變小,由于諧振頻率反比于這兩個參量,因而將向高頻逐漸偏移[26].

圖5 寬入射角度吸收器的吸收譜 (a)TM波入射;(b)TE波入射Fig.5. Absorption spectrum of the proposed absorber under the illumination of a broad incident angle:(a)TM wave incidence;(b)TE wave incidence.

值得注意的是,對TM波的吸收譜中(如圖5(a)所示),出現了一條由短波長向長波長逐漸變化的吸收斷裂帶.為分析其原因,我們考察當入射波長為1.9μm時,電磁波入射角分別為θ=10?,θ=34?,θ=50?時的電場分布,如圖6所示.由電場分布可以看出,當θ=10?和θ=50?時,電磁諧振會出現在不同的子單元上,從而能夠實現較好的吸收.而當θ=34?時,所有的子單元都未發生電磁諧振,因此幾乎沒有任何吸收.

進一步,以子單元w1為例,考察TM波在不同入射角度下的吸收譜,如圖7所示.可以看到,隨著入射角度的增加,子單元w1的下層介質的吸收峰逐漸偏移且向上層介質的吸收峰靠近,從而影響上層介質對電磁波的吸收,當達到特定角度時(15?),吸收幾乎為零.其他子單元也會出現類似的現象.這就能夠直觀地解釋本文提出的吸波結構為何隨入射角的變化會出現一條如圖5(a)所示的吸收斷裂帶.

圖6 TM波在不同入射角度下的電場分布(λ=1.9μm)Fig.6.Distributions of electric field under TM wave at λ =1.9 μm with different incident angles.

圖7 子單元w1對TM波的寬入射角度吸收譜Fig.7.Absorption spectrum for the subunit w1under TM wave with the change of incident angle.

4 結 論

提出了一種基于光柵結構的雙波段寬帶吸收器,其基本單元由八個梯度排列的子單元構成,每個子單元由兩層金屬-介質雙層膜垂直層疊組成.該結構能夠同時吸收TM波(在1.68—2μm吸收率超過90%)和TE波(在3.8—3.9μm吸收率超過90%),且不同的極化波對應不同的吸波頻段,這一特性為其應用提供了更大的靈活性.另外,該結構具有寬角度吸收特性,當入射角增大到60?時仍然能夠保持較高的吸收率和較寬的吸收頻帶.所提設計方法可推廣至THz和微波頻段.

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