偏振无关超材料吸收器的研究

王超素　何胜军　江达飞

摘 要：为了实现超材料吸收器在宽波段上具有高吸收效率，本文利用金属和介质层堆砌成具有金字塔结构的超材料吸收器。该种超材料吸收器结构具有90°旋转对称的特性，因此其在任意偏振上均能保持高吸收效率。经过模拟计算可得，本文设计的超材料吸收器在波段为0.747～2.665μm时具有90%以上的吸收效率，而且TE和TM偏振具有相同的吸收效率。

关键词：超材料;吸收器;偏振无关

中图分类号：O441.4 文献标识码：A 文章编号：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]、近零介电常数[2]、高灵敏度传感器[3]等特性，而这些特性是自然界材料无法实现的，因此引起了人们的兴趣。而实现超材料高吸收是超材料研究的一项热点，因为具有高吸收效率的超材料可以应用在太阳能电池等光电子器件中，可以显著提高光电子器件的性能。

首次提出并设计出超材料吸收器的是Chestnut Hill大学的Landy等人，他们利用超材料成功研制出具有88%吸收效率的吸收器，吸收频率在11.5GHz[4]。2016年，我国华中科技大学在石墨烯和金属之间加入二氧化硅介质层，成功设计出具有双波段高吸收的吸收器，在波长为35μm和59μm时具有97%以上的吸收效率[5]。但是，上述研究结果都是仅对单个或者双个波长具有高吸收效率，对其他波长的吸收效率较低，这限制了其在实际生活中的应用。为此，一些学者提出与之不同的超材料吸收器结构，以期能在连续波段上实现高吸收效率。例如，浙江大学何赛灵教授提出利用金属金与石墨烯组合，在太赫兹波段实现了宽波带吸收[6]。此外，越南一所高校利用介质和金属堆砌成圆台型结构，在近红外波段实现了高吸收效率，吸收带宽达到1 000nm[7]。

虽然一些学者能实现超材料在宽波带具有高吸收效率，但其鲜有能在双偏振上具有高吸收效率。为此，本文基于金属和介质材料设计了能在近红外波段具有高吸收效率的超材料吸收器。本文设计的超材料吸收器对任何偏振都具有相同的吸收效率，并不会因为偏振方向的改变，导致超材料吸收器吸收效率下降。

2 超材料吸收器结构

图1是超材料吸收器结构图。该结构由金属金和介质硅组成，金属金和介质硅的厚度分别式[tm]和[td];最下层金属金和介质硅的宽度是[wl];最上层金属金和介质硅的宽度是[wt];超材料吸收器总厚度是[T];单个超材料吸收器的周期为[P];而完整的超材料吸收器是由多个周期为[P]的超材料吸收器组合而成。其中，硅的折射率是3.48，而金属金的色散用Drude模型来描述，如式1所示[8]。

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

式中，[ωp]为等离子体频率，[ωp]=（1.367×1 016）rad/s;[γ]为衰减速率，[γ]=（1.256×1 014）rad/s。

3 模拟结果

利用时域有限差分法对上述超材料吸收器进行模拟计算，当[tm]=0.015μm、[td]=0.04μm、[wl]=0.19μm、[wt]=0.047 5μm、[T]=1.1μm、[P]=0.2μm时，超材料吸收器在波长为0.747～2.665μm时能保持90%以上的吸收效率。由于超材料吸收器是在金属金衬底上，而在本结构中，金属金衬底的厚度大于入射光的趋肤深度，因此，几乎没有光会透过金属金衬底。从图2（a）中可以看出，透射率几乎为零。

另外，本文设计的超材料吸收器是偏振无关的，即超材料吸收器旋转90°对称，因此，在垂直入射下，任何偏振（TE/TM）都有很高的吸收效率，而且两种偏振对应的吸收效率是相同的。该种结构的吸收器能在不同的偏振条件下应用。超材料吸收器吸收率反射、透射及吸收特性如图2所示。

图3是超材料吸收器在不同波长下的磁场分布。从图中可以看出，随着入射波长的增加，光场的能量会往下聚集，在波长为1μm时，光场聚集在宽度为56nm的波导;当波长增加到1.5μm时，光场聚集在宽度为80nm的波导;而当波长增加到2μm时，光场聚集在宽度为148nm的波导。由此可以得出，金属金和介质硅的宽度越大，越能吸收长波长的入射光，这为以后设计长波长超材料吸收器提供理论依据。这种现象可以用慢光波导的原理去解释，金属和介质层堆砌而成的结构形成了慢光波导，当入射光进入超材料吸收器后，由于慢光波导的作用，入射光的传播速度会下降甚至降为零，从而使光被限制在超材料吸收器内。而之所以随着入射光波长增大，其能量会向下聚集，是因为只有宽的慢光波导层才会降低光传播速度[9]。

4 结论

本文利用慢光波导原理和有限时域差分法设计了具有高吸收效率且偏振无关的超材料吸收器，通过对结构的优化可以发现，本文设计的超材料吸收器在波长为0.747～2.665μm时能连续保持高吸收效率，而且对于任何偏振，两种偏振（TE/TM）均能在该波段具有高吸收效率。随后利用慢光波导原理解释了长波长入射能在宽波导聚集能量的原因，这为以后设计制备偏振无关高吸收效率超材料吸收器提供理论依据。

参考文献：

[1]S. Anantha R， Sangeeta C. Negative Refractive Index of Meta-materials at Optical Frequencies[J]. MRS Proceedings， 2006（964）：0964-R01-02.

[2]Andrea A， Mario S， Alessandro S， et al. Epsilon-near-zero metamaterials and electromagnetic sources： Tailoring the radiation phase pattern[J]. Physical Review B，2007（15）：155410.

[3]Dash R K， Sahu S K， Mishra C S， et al. Realization of ‘non-linear invisibility cloak’ using meta-material[J].Optik，2016（20）：9635-9639.

[4]Landy N，Sajuyigbe S，Mock J J，et al. Perfect metamaterial absorber[J]. Physical Review Letters，2008（20）：207402.

[5]Yao G，Ling F R，Yue J ，et al. Dual-band tunable perfect metamaterial absorber in the THz range[J].Optics Express，2016（2）：1518-1527.

[6]He S L， Chen T.Broadband THz Absorbers With Graphene-Based Anisotropic Metamaterial Films[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2013（6）：757-763.

[7]Nguyen T Q H ， Phan H L ， Phan D T ， et al. Numerical Study of a Wide-Angle and Polarization-Insensitive Ultrabroadband Metamaterial Absorber in Visible and Near-Infrared Region[J]. IEEE Photonics Journal，2019（1）：2888971.

[8]江孝偉，武华，袁寿财.基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强[J].物理学报，2019（13）：138101.

[9]贾晓宇.基于表面等离子体的慢光研究[D].北京：北京邮电大学，2015.