金属薄膜叠层亚波长布拉格光栅的选择性吸收与发射外文翻译资料

 2022-07-23 04:07

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金属薄膜叠层亚波长布拉格光栅的选择性吸收与发射

吴军

（信息光学与光电技术实验室，上海光学精密机械研究所，中国科学院，信箱800-211，上海201800，中国）

摘要：超窄带光谱选择性吸收和发射的叠栅结构的影响还在研究中。两个TE偏振吸收剂/发射器的设计和研究。一个是由一个金属光栅与布拉格光栅背衬。另一个由金属光栅和减少布拉格光栅有金属膜。两者都表现出近乎一致的吸收和发射在谐振波长窄谱和但天线一样的反应。电场分布族在谐振波长的情况都提供这样的吸收/发射行为满意的定性认识。所设计的减振器/发射器在各种科学中的应用科学和技术领域，它也被认为的结论可能有助于一个超窄器/发射器的设计。

关键词：衍射光栅；光谱选择性吸收/发射；超材料；共振

  1. 引言

在过去的几年中，超材料吸收体的领域得到了迅速发展。从2008年起，Landy等人，首先提出了基于三层超材料的理想吸收体的基本思想[1]。关于超材料吸收剂的研究已经扩展到其他的频段，如THz[2,3]，中红外[4-6]，近红外[7-9]和可见的[10-12]。完美的吸收剂与近统一窄带吸收或宽带性能是在许多领域有趣的。前者具有选择性吸收/发射特性，可以应用在热成像设备、传感器和热发射器[13，14]，同时后者具有宽的吸收行为可以用来收获太阳能[15,16]。

一个三层超材料吸收体通常由顶部金属纳米结构、底层金属膜和它们之间的电介质隔离层组成。电和磁响应可以通过改变物理尺寸进行调谐，可用于实现近统一窄带吸收或宽带吸收。这是众所周知的，一个完美的热发射器遵循的普朗克黑体定律[17]。根据基尔霍夫定律，可以直接从吸附谱中推断出结构的热发射特性，这与吸收率有关[18]。然后，发射光谱可乘以黑体辐射光谱和吸收光谱得到的。因此，一个具有完美的吸收特性的吸收器也可以被认为是一个完美的热发射器。

上面提到的超材料吸收剂通常由复杂的亚波长结构[1-14]。然而，基于光栅的超材料，但随着纳米条简单的数组，也可以通过选择适当的结构尺寸达到完美吸收。此外，它具有的优点EAS设计与制造。吴等人[19]用实验证明一个广角基于等离子体吸收光栅和解释如此完美的吸收现象的临界耦合。迪姆等人[20]设计了一个具有高吸收太赫兹范围在很广泛角度的完美的吸收体/热发射器。梅森等人[21]制作了一个红外波段具有很强的吸附、选择性热辐射的超材料。然而，光栅为基础的吸收剂/热发射器上面提到的主要工作在TM极化[19-21]。在我们以前的工作中[22-24]，已经研究了基于光栅的选择性吸收效应TE偏振和偏振无关。但是，上述的选择性吸收，是否具有复杂结构结构或简单的光栅结构，具有空间相干性差的缺点和有限的窄带谱（即带宽，一般在几百纳米，不够窄）[25]。为了解决这个问题，龚等人[25]提出了一种基于叠栅结构的简单设计方案（由金属光栅和布拉格光栅组成）。当两光栅的配对在一起，它们之间的相互作用可以产生阻抗匹配在波长位于光子带隙的布拉格光栅，这使窄谱与天线空间响应发射[25]。然而，由于布拉格光栅的周期较长，器件的整体厚度较大，不利于实际应用。

在本文中，两个TE极化器/发射器，它基于叠栅结构，说明探索超窄光谱选择性吸收热辐射效应。严格耦合波分析（RCWA）[26,27]和模拟退火（SA）[28.29]的算法用于获得优化的结构参数。一个是由一个金属光栅与布拉格光栅背衬。另一个由金属光栅和减少布拉格光栅有金属膜，这可以被视为一个我改进结构的第一个。

  1. 基于多层布拉格光栅的吸收体设计与分析

该减振器/发射器的基本结构如图1所示（a）。亚波长光栅位于布拉格光栅的顶部。顶部光栅的材料是金（Au）。布拉格光栅是由两个交替的电介质层与材料Al2O3和SiO2。它们的折射率分别是na frac14;1.74和nb frac14;1.45。布拉格光栅的周期数是N。总结构被假定为在石英（SiO2）衬底上制造。在红外光谱中，Au的介电常数可以用Drude模型描述。

ε = 1

minus;

omega;p2

omega; omega; iomega;c

)

(

这里的omega;代表入射平面波的角频率，omega;p frac14;1.32 1016 rad/s, omega;c frac14;1.2 1014 rad/s。横向电（TE）极化（电场与Y轴平行）单色平面波的入射角从空气入射theta;。

具有工作波长的TE偏振选择性吸收/发射极结构参数优化在波长为1958.5nm时为N frac14;30, ffrac14;0.5, d frac14;370 nm, hfrac14;50 nm, ha frac14;280 nm和hb frac14;318 nm。反射率（R）和透光率（T）从RCWA，吸光度（A）的吸收可以由公式直接计算：A=1-R-T。在TE偏振和TM偏振的正常发病率的吸收光谱如图1所示（b）。从图中可以看出，一个约为99.23%的强共振吸收/发射率是在波长为1958.5 nm的TE偏振实现。半峰全宽（FWHM）约为13 nm。然而，吸收是非常小的TM偏振的波长范围内，这表明偏振敏感吸收。DI电布拉格光栅反射镜具有能完全反射入射光的带隙。共振吸收波长位于带隙。当两个交替介质层的折射率和厚度变化时，带隙的变化大致根据布拉格条件lambda;b frac14;2 (naha thorn;nbhb)，从而导致谐振波长的漂移[25]。

图一，（a）基于金属光栅和布拉格光栅结构的吸收体/发射极示意图。d是光栅周期；h是光栅深度；f是占空比。ha和hb是Al2O3和SiO2的厚度。（b）吸收/发射极的工作波长为1958.5 nm的两个偏振的吸收光谱。

要调查的N的吸收的影响，我们显示的吸光度与N如图2所示（a）（其结构参数与Nfrac14;30一样）。发现当n大于20时，峰值随N的减小而减小，谐振波长不变。这是不同的TM偏振发射的REF[25]，这里N只影响峰值，而不影响谐振波长。

此外，在浊音的波长电场强度分布的探讨达到吸收效果的定性描述。它是由入射平面波的电场强度归一化，如图2所示（b）。粉红色盒子包围的区域是光栅条。从图中可以看出，由于阻抗匹配，光几乎没有反射。当光耦合到布拉格光栅B金属光栅在Z方向形成驻波波形。但其强度随金属光栅的距离衰减。金属光栅下方的介电层的电场强度增强最大。在一般情况下，能量的吸收是由于功耗和时间平均功率损耗密度可以通过以下方式获得：

dPloss/ dV = 1/2ε0omega; Imε ( omega;) E 2，这里ε0是真空的介电常数，omega;是角频率，IM（z）表示虚部。相对介电常数和E表示电场。

因此，更多的吸收是在底部的金光栅是由于较大的电场强度增强下。这是完全不同的TM偏振吸收/发射器临在REF[25]，由于局部表面等离子体共振引起的金属光栅在空气狭缝中的电场强度的增强是最大的，这导致在GR中的光的较大的吸收目前栅条靠近空气缝隙[25]。

图二，（a）工作波长为1958.5 nm的吸收体/发射极的吸收光谱。（b）E y /E0 2 的电场分布（Z轴的原点位于光栅的顶面上）

要调查的空间方向性的建议吸收器/发射器，吸收/发射与入射角如图3所示。分别绘制在波长为lambda;1 frac14;1958.5 nm, lambda;2 frac14;1866 nm 和 lambda;3 frac14;1666 nm时的三吸收光谱。它们的发射角度分别为0°、30°和60°。从图中，我们可以看到，吸收/发射是高度定向的，表现类似的天线。这显着提高空间相干性的连贯性，长度与它的角宽度成反比[25]。在三个波长的角宽度分别为约15.5°，2°和1.5°。角宽度随发射波长的减小而减小。对这种现象的物理理解如下，一个布拉格光栅带隙对入射角变化敏感，导致其与事件的变化NT角[25]。同时，如上所述，带隙内的共振波长随带隙的变化几乎呈线性变化。因此，不同P的吸收/发射在不同的方向和波长。

图三，吸收与入射角分别在工作波长在1958.5 nmlambda;1frac14;，lambda;2frac14;1866 nm和lambda;3frac14;1666 nm时的吸收光谱。

  1. 基于改进布拉格光栅的吸收器设计与分析

虽然提出的TE吸收器/发射器具有窄谱和高指向性，为布拉格的光栅周期的数量是非常大的，因此设备的缺点是体积大，不利于实际应用。为了解决这个问题，提出了一种新的结构，如图4所示（a）。现在，布拉格光栅的周期数大大减少。但布拉格光栅背以薄的金属膜，厚度为200纳米，以阻止光传输。

在1958.5 nm处的吸收/发射的改进与工作波长的结构参数：Nfrac14;5, f frac14;0.5, dfrac14;370 nm, h frac14;50 nm, ha frac14;280 nm 和 hb frac14;311 nm。如图4所示（b），我们的吸收/发射光谱在两个偏振的正常发病率。正如图中所示，在波长上实现了约99.96%的强共振吸收1958.5 nm的TE偏振。FWHM约为16 nm。但TM偏振的吸收也很小，在波长范围内。

图四，（a）基于金属光栅和金属薄膜结构的布拉格光栅的改进吸收体/发射极示意图。d为光栅周期；h为光栅深度；f为C循环。ha和hb分别为Al2O3和SiO2的厚度。（b）吸收/发射极的工作波长为1958.5 nm的两个偏振的吸收光谱。

不同N的吸光度如图5所示（a）。结果发现，随着N的减少，峰值总是高于99%。然而，共振波长随N的减小而增大，表现出红移。在同一时间，FWHM也随N的减少，在以下部分中，N是选择被列为5。与图1（a）的吸收器相比，发现改进的减震器有相同的高吸收和窄谱（虽然比图1（a）的吸收器大一点），但厚度大大减小，这对于实际应用具有明显的优势。

在峰值波长的电场强度分布也绘制，如图5所示（b）。粉红色盒子包围的区域是光栅条。如图5所示（b），光穿过金属光栅并被耦合到布拉格光栅中。它也勉强反映由于阻抗匹配，并形成在Z方向的驻波剖面。它的强度衰减的光移动的金属光栅/布拉格光栅接口。电场强度的增强是LAR武功在介电层波纹金属烤G，这使更多的吸附在金属光栅杆底。这种现象与图1（a）的吸收器相同。

图五，（a）吸收波长为1958.5 nm的吸收体的吸收光谱。（b）E y /E0 2的电场分布（Z轴的原点位于光栅的顶面上）。

我们进一步探讨改进AB吸收剂/发射器的空间指向性，图6所示。分别绘制在波长为lambda;1 frac14;1958.5 nm, lambda;2 frac14;1866 nm 和 lambda;3 frac14;1666 nm时的三吸收光谱。它们的 发射角度也分别为0°、30°和60°，这与图1（a）的吸收器相同。然而，在30°和60°的角度上的共振波长与图1（a）的吸收器有点不同。从图中可以看出，吸收/发射也具有高度的方向性和行为像一个天线。三个波长的角宽度分别为约18°、2.5°和1.7°有效，这是比角宽度图1（a）的吸收大一点。然而，改进的吸收体具有大幅减少的厚度和角宽度，可以进一步减少通过增加布拉格光栅周期的数目。值得注意的是，角谱在lambda;1frac14;1958.5 nm波长在72.5°角另一个谐振峰。此峰值降低峰值，但也减少了角宽度。然而，在0°的角度对发射没有影响。

图六，吸收与入射角分别在工作波长在1958.5 nmlambda;1frac14;，lambda;2frac14;1866 nm和lambda;3frac14;1666 nm时的吸收光谱。

在一般情况下，虽然一个三层的超材料吸收剂[1-14]结构简单，在空间相干性上存在缺点和只有非常有限窄带谱。为了获得接近超窄谱和吸收天线般的回应，布拉格光栅代替三层超材料吸波体的底部的金属膜。但是，为了提供高吸收，布拉格光栅应包括多层介质的高/低折射率，这在折痕的制造难度和成本。然而，根据以上分析，改进结构，将布拉格光栅和金属膜可以获得同样高的吸附和超窄谱但减少布拉格光栅。这大大降低了生产难度和成本，有利于实际应用。

  1. 结论

总之，超窄的光谱选择性吸收和发射的基于多层光栅结构的影响研究。两个TE偏振吸收剂/发射器，目前接近

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