一种复合结构多通道吸收器优化设计研究

发布时间：2021-04-16 15:34

　　基于交替光栅和石墨烯设计了一种近红外波段电磁超材料多通道吸收器。采用时域有限差分法（FDTD）数值模拟了结构设计参数对吸收光谱的影响规律,获得了最佳结构。同时探究了各通道吸收率对入射光源角度的依赖性。仿真结果表明,基于法布里-珀罗（F-P）腔共振、磁激元共振和相消干涉形成的吸收光谱主要集中在0.95～1.15μm近红外波段。交替光栅的结构参数和介质层厚度对光谱特性影响较大,当光栅高度增大或周期减小时,腔共振模迅速右移,并伴随各干涉峰小幅度右漂,吸收率大幅改变;介质层厚度对干涉谱影响强烈,当介质层厚度达40 nm以上时,干涉谱几乎消失。各通道吸收峰对光源入射角不敏感,但当入射角在10°以上时,低端吸收率随入射角线性增大,线性拟合度高达0.9931。 

【文章来源】：光学学报. 2020,40(13)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

吸收器结构示意图

在FDTD数值分析中,网格加密步长设置为1 nm。为了保证设计结构对入射光波的高吸收率,Al基板厚度选为40 nm,大于其在近红外波段的趋附深度,因此没有透射光,此时复合结构的光吸收率可简化为A(λ)=1-R(λ),其中,R(λ)为光谱反射率。由于设计结构在x方向具有周期性,因此选取一个周期单元进行仿真计算。入射光源选用平面波,研究获得横磁(TM)光波沿y轴反方向垂直入射后的吸收光谱,如图2所示。所选用的结构参数分别为:p=450 nm;w=429 nm;h=70 nm;t=10 nm;d=3.4 nm;背景折射率为1.0 。由图2可知,复合结构对入射光的吸收光谱主要集中在0.95～1.15 μm近红外波段,包括1个宽光谱和多个超窄光谱。左边频宽光谱中心波长为1.01528 μm,带宽达22 nm,近乎完美吸收;右侧多个超窄吸收通道的间距均为14 nm,每个窄通道带宽均为4.13 nm,且吸收率几乎均高达98%以上。

而由图3(c)、(d)可知,波长λ2处电场主要集中在顶层石墨烯带内,而磁场能量主要局域在光栅和石墨烯之间的SiO2介质层内,场分布具有典型的相消干涉特性。图3(a)中Au光栅边沿的左右两端有能量集中点(泛红),这是磁激元共振(MPS)的典型特性[18],证明了MPs的存在。当金属光栅左右两边沿处激发的MPs场在SiO2介质层中满足相消干涉条件时,便可形成多通道窄带吸收光谱。而图3(c)中λ2处电场分布显示,电场中几乎不存在F-P腔模,进一步证明窄带干涉谱源于MPs模的事实。不同厚度t时共振光谱中右边频宽光谱的出现再次佐证了超窄光谱是由MPs模相消干涉引起的。4 多通道吸收器优化设计

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3141698