發(fā)布時(shí)間：2021-04-16 15:34

　　基于交替光柵和石墨烯設(shè)計(jì)了一種近紅外波段電磁超材料多通道吸收器。采用時(shí)域有限差分法（FDTD）數(shù)值模擬了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對吸收光譜的影響規(guī)律,獲得了最佳結(jié)構(gòu)。同時(shí)探究了各通道吸收率對入射光源角度的依賴性。仿真結(jié)果表明,基于法布里-珀羅（F-P）腔共振、磁激元共振和相消干涉形成的吸收光譜主要集中在0.95～1.15μm近紅外波段。交替光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)層厚度對光譜特性影響較大,當(dāng)光柵高度增大或周期減小時(shí),腔共振模迅速右移,并伴隨各干涉峰小幅度右漂,吸收率大幅改變;介質(zhì)層厚度對干涉譜影響強(qiáng)烈,當(dāng)介質(zhì)層厚度達(dá)40 nm以上時(shí),干涉譜幾乎消失。各通道吸收峰對光源入射角不敏感,但當(dāng)入射角在10°以上時(shí),低端吸收率隨入射角線性增大,線性擬合度高達(dá)0.9931。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(13)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

吸收器結(jié)構(gòu)示意圖

在FDTD數(shù)值分析中,網(wǎng)格加密步長設(shè)置為1 nm。為了保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對入射光波的高吸收率,Al基板厚度選為40 nm,大于其在近紅外波段的趨附深度,因此沒有透射光,此時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的光吸收率可簡化為A(λ)=1-R(λ),其中,R(λ)為光譜反射率。由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在x方向具有周期性,因此選取一個(gè)周期單元進(jìn)行仿真計(jì)算。入射光源選用平面波,研究獲得橫磁(TM)光波沿y軸反方向垂直入射后的吸收光譜,如圖2所示。所選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:p=450 nm;w=429 nm;h=70 nm;t=10 nm;d=3.4 nm;背景折射率為1.0 。由圖2可知,復(fù)合結(jié)構(gòu)對入射光的吸收光譜主要集中在0.95～1.15 μm近紅外波段,包括1個(gè)寬光譜和多個(gè)超窄光譜。左邊頻寬光譜中心波長為1.01528 μm,帶寬達(dá)22 nm,近乎完美吸收;右側(cè)多個(gè)超窄吸收通道的間距均為14 nm,每個(gè)窄通道帶寬均為4.13 nm,且吸收率幾乎均高達(dá)98%以上。

而由圖3(c)、(d)可知,波長λ2處電場主要集中在頂層石墨烯帶內(nèi),而磁場能量主要局域在光柵和石墨烯之間的SiO2介質(zhì)層內(nèi),場分布具有典型的相消干涉特性。圖3(a)中Au光柵邊沿的左右兩端有能量集中點(diǎn)(泛紅),這是磁激元共振(MPS)的典型特性[18],證明了MPs的存在。當(dāng)金屬光柵左右兩邊沿處激發(fā)的MPs場在SiO2介質(zhì)層中滿足相消干涉條件時(shí),便可形成多通道窄帶吸收光譜。而圖3(c)中λ2處電場分布顯示,電場中幾乎不存在F-P腔模,進(jìn)一步證明窄帶干涉譜源于MPs模的事實(shí)。不同厚度t時(shí)共振光譜中右邊頻寬光譜的出現(xiàn)再次佐證了超窄光譜是由MPs模相消干涉引起的。4 多通道吸收器優(yōu)化設(shè)計(jì)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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