偏振無關超材料吸收器的研究

王超素　何勝軍　江達飛

摘 要：為了實現超材料吸收器在寬波段上具有高吸收效率，本文利用金屬和介質層堆砌成具有金字塔結構的超材料吸收器。該種超材料吸收器結構具有90°旋轉對稱的特性，因此其在任意偏振上均能保持高吸收效率。經過模擬計算可得，本文設計的超材料吸收器在波段為0.747～2.665μm時具有90%以上的吸收效率，而且TE和TM偏振具有相同的吸收效率。

關鍵詞：超材料;吸收器;偏振無關

中圖分類號：O441.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0067-03

Esearch on Polarization Independent Supermaterial Absorber

WANG Chaosu HE shengjun JIANG dafei

（College of Information Engineering， Quzhou College of Technology，Quzhou Zhejiang 324000）

Abstract： In order to achieve high absorption efficiency in wide band， this paper used metal and medium layers to stack up a super material absorber with pyramid structure. This kind of super material absorber has 90° rotational symmetry， so it can maintain high absorption efficiency in any polarization. After simulation calculation， the supermaterial absorber designed in this paper has more than 90% absorption efficiency between the bands of 0.747～2.665μm， and TE and TM polarization have the same absorption efficiency.

Keywords： metamaterial;absorber;polarization independent

1 研究背景

超材料具有負折射率[1]、近零介電常數[2]、高靈敏度傳感器[3]等特性，而這些特性是自然界材料無法實現的，因此引起了人們的興趣。而實現超材料高吸收是超材料研究的一項熱點，因為具有高吸收效率的超材料可以應用在太陽能電池等光電子器件中，可以顯著提高光電子器件的性能。

首次提出并設計出超材料吸收器的是Chestnut Hill大學的Landy等人，他們利用超材料成功研制出具有88%吸收效率的吸收器，吸收頻率在11.5GHz[4]。2016年，我國華中科技大學在石墨烯和金屬之間加入二氧化硅介質層，成功設計出具有雙波段高吸收的吸收器，在波長為35μm和59μm時具有97%以上的吸收效率[5]。但是，上述研究結果都是僅對單個或者雙個波長具有高吸收效率，對其他波長的吸收效率較低，這限制了其在實際生活中的應用。為此，一些學者提出與之不同的超材料吸收器結構，以期能在連續波段上實現高吸收效率。例如，浙江大學何賽靈教授提出利用金屬金與石墨烯組合，在太赫茲波段實現了寬波帶吸收[6]。此外，越南一所高校利用介質和金屬堆砌成圓臺型結構，在近紅外波段實現了高吸收效率，吸收帶寬達到1 000nm[7]。

雖然一些學者能實現超材料在寬波帶具有高吸收效率，但其鮮有能在雙偏振上具有高吸收效率。為此，本文基于金屬和介質材料設計了能在近紅外波段具有高吸收效率的超材料吸收器。本文設計的超材料吸收器對任何偏振都具有相同的吸收效率，并不會因為偏振方向的改變，導致超材料吸收器吸收效率下降。

2 超材料吸收器結構

圖1是超材料吸收器結構圖。該結構由金屬金和介質硅組成，金屬金和介質硅的厚度分別式[tm]和[td];最下層金屬金和介質硅的寬度是[wl];最上層金屬金和介質硅的寬度是[wt];超材料吸收器總厚度是[T];單個超材料吸收器的周期為[P];而完整的超材料吸收器是由多個周期為[P]的超材料吸收器組合而成。其中，硅的折射率是3.48，而金屬金的色散用Drude模型來描述，如式1所示[8]。

[εAu=1-ω2pω2+iωγ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[ωp]為等離子體頻率，[ωp]=（1.367×1 016）rad/s;[γ]為衰減速率，[γ]=（1.256×1 014）rad/s。

3 模擬結果

利用時域有限差分法對上述超材料吸收器進行模擬計算，當[tm]=0.015μm、[td]=0.04μm、[wl]=0.19μm、[wt]=0.047 5μm、[T]=1.1μm、[P]=0.2μm時，超材料吸收器在波長為0.747～2.665μm時能保持90%以上的吸收效率。由于超材料吸收器是在金屬金襯底上，而在本結構中，金屬金襯底的厚度大于入射光的趨膚深度，因此，幾乎沒有光會透過金屬金襯底。從圖2（a）中可以看出，透射率幾乎為零。

另外，本文設計的超材料吸收器是偏振無關的，即超材料吸收器旋轉90°對稱，因此，在垂直入射下，任何偏振（TE/TM）都有很高的吸收效率，而且兩種偏振對應的吸收效率是相同的。該種結構的吸收器能在不同的偏振條件下應用。超材料吸收器吸收率反射、透射及吸收特性如圖2所示。

圖3是超材料吸收器在不同波長下的磁場分布。從圖中可以看出，隨著入射波長的增加，光場的能量會往下聚集，在波長為1μm時，光場聚集在寬度為56nm的波導;當波長增加到1.5μm時，光場聚集在寬度為80nm的波導;而當波長增加到2μm時，光場聚集在寬度為148nm的波導。由此可以得出，金屬金和介質硅的寬度越大，越能吸收長波長的入射光，這為以后設計長波長超材料吸收器提供理論依據。這種現象可以用慢光波導的原理去解釋，金屬和介質層堆砌而成的結構形成了慢光波導，當入射光進入超材料吸收器后，由于慢光波導的作用，入射光的傳播速度會下降甚至降為零，從而使光被限制在超材料吸收器內。而之所以隨著入射光波長增大，其能量會向下聚集，是因為只有寬的慢光波導層才會降低光傳播速度[9]。

4 結論

本文利用慢光波導原理和有限時域差分法設計了具有高吸收效率且偏振無關的超材料吸收器，通過對結構的優化可以發現，本文設計的超材料吸收器在波長為0.747～2.665μm時能連續保持高吸收效率，而且對于任何偏振，兩種偏振（TE/TM）均能在該波段具有高吸收效率。隨后利用慢光波導原理解釋了長波長入射能在寬波導聚集能量的原因，這為以后設計制備偏振無關高吸收效率超材料吸收器提供理論依據。

參考文獻：

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[8]江孝偉，武華，袁壽財.基于金屬光柵實現石墨烯三通道光吸收增強[J].物理學報，2019（13）：138101.

[9]賈曉宇.基于表面等離子體的慢光研究[D].北京：北京郵電大學，2015.