W/VO2方形纳米柱阵列可调中红外宽频吸收器

基于VO_2的热致相变特性,仿真设计出了一种W/VO_2方形纳米柱阵列可调中红外宽频吸收器,通过时域有限差分法分析了结构参数对吸收性能和结构内电磁场强度分布的影响,以及吸收器在不同偏振态和入射角度下的吸收特性。结果表明:在最佳的结构参数下,当VO_2未发生相变时,入射到吸收器的红外光转变为热而消耗掉,在3～5μm谱段的平均吸收率高达96.2%;当VO_2发生相变而转变为金属相时,吸收器表现出强反射,抑制吸收,高低温下的平均吸收率差可达74.1%。该吸收器的吸收率受入射光的影响较小,具有广角吸收特性,有望在红外智能光电领域得到应用。     

树叶状红外频段完美吸收器的仿真设计

设计了一种由树叶状金属薄膜-介质层-金属薄膜构成的低剖面完美吸收器模型. 通过对金属介电性能采用Drude定理,仿真发现调节结构参数可在红外通讯频段几乎达到完美吸收 (吸收率为99.5%),并且在某些特定的结构参数下可以同时实现双频段的完美吸收 (其吸收率分别达到99.67%和97.13%),这在某种意义上展宽了吸收频带, 对红外吸收器的设计与应用极为有利.最后探索了叶颈宽度变化对双频吸收峰位置的影响, 以便对双峰吸收进行调频操作.这种红外频段的超材料吸收器具有结构简单、吸收效率极高、工作频段宽等优点.     

吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器

为了使超材料完美吸收器(metamaterial perfect absorber,MPA)能够同时实现吸收效率和吸收波长的控制,本文提出利用二氧化钒(VO2)和石墨烯作为MPA的材料,通过对MPA的结构设计,在红外波段实现了高吸收,吸收效率最高可达99%.研究发现通过改变VO2的温度和石墨烯的化学势,可同时实现MPA吸收效率和吸收波长的控制,吸收效率调制深度和吸收波长调谐范围分别可达97.08%和3.2μm.通过对MPA在吸收波长处的磁场分布分析可以得出,MPA能够产生高吸收是由于其形成了法布里-帕罗(Fabry-Pérot,FP)干涉腔共振,研究发现MPA的结构参数对FP腔的共振波长具有显著的影响.     

基于LiF和NaF的超宽带红外吸收器

设计了一种基于LiF和NaF材料的光栅型超宽带红外吸收器,并采用频域有限差分法对其吸收特性进行了研究。研究结果表明,单独采用LiF(或NaF)和电介质材料构成的光栅型吸收器都具有较宽的吸收带,但其吸收带处于不同的红外波段。同时采用LiF、NaF及电介质材料构成的光栅型吸收器可以把这两个吸收带衔接起来。通过优化参数,在入射波长为15~45μm、入射角度为0°~80°的范围内,吸收器的吸收率达到80%以上,实现了宽带吸收。结构中复合层的层数对吸收率有最大的影响,电介质层的厚度对吸收率的影响较小。     

基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器

随着频谱资源的日益稀缺,太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注,并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势,超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种"T"型结构的超材料太赫兹吸收器,同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致,唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构,均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明,太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰,其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率,可以控制吸收频带的存在与否,同时可以调整吸收峰的频率位置,使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时,吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz,而且其峰值吸收率达到99.998%.     

基于InP、InAs和InSb材料的超宽带红外线吸收器

本文设计了一种由磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)三种半导体材料以及电介质材料堆叠而成的锥形光栅等离子体超宽带红外线吸收器,利用表面等离子体共振效应对入射电磁波实现吸收。我们采用频域有限差分法(FDFD)对此吸收器性能进行探究,在经过大量计算后得到了最优化结构参数,在入射角范围0～80°和入射波长为28～60μm红外波长范围内实现了92%以上的高效吸收。此外,我们还研究了各结构参数对吸收效果的影响,结果表明:复合层数以及半导体材料的厚度对吸收率的影响相对较大,而复合层宽度、电介质材料厚度对吸收率的影响较小。本文所设计的吸收器有望在红外探测、光谱学等方面得到应用。     

极化控制的双波段宽带红外吸收器研究

红外吸收器在红外隐身、辐射制冷、红外探测、传感器等方面有重要的应用前景.一维光栅型吸收器由于其结构简单、易于加工的优势备受关注,然而其不足之处是频带很窄,且只对一种极化有效.本文提出了一种基于简单一维周期结构的双波段宽带吸收器,对横磁波和横电波都有效,且吸波频段随入射波的极化方式而改变.该结构的基本单元由八个梯度排列的子单元构成,每个子单元由两层金属-介质双层膜垂直层叠组成.全波仿真结果表明,在1.68—2μm波段,该结构对横磁波吸收超过90%,而对横电波吸收很小(小于6%);在3.8-3.9μm波段,该结构对横电波吸收超过90%,而对横磁波吸收很小(小于5%).另外,该结构具有宽角度吸收特性,当入射角增大到60°时仍然能够保持较高的吸收率和较宽的吸收频带.     

基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器

基于树枝状金属结构单元的电磁谐振特性,设计了一种双面大小树枝状结构的超材料吸收器,该结构分别是正面二级树枝及正对的背面三级树枝.通过仿真模拟设计了不同的阻抗匹配方式,调节相应的结构参数,找到了阻抗匹配对吸收特性的影响.在最佳的阻抗匹配条件下,得到最大吸收率.实验测量表明,阻抗匹配条件下双面大小树枝模型可以实现90.01%吸收率.增加样品层数可以有效的增加吸收率,3层样品就可以达到99%以上的吸收率,实现工程意义的完美吸收.     

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.     

基于二维光子晶体的宽带高吸收太阳能吸收器

具有宽带高吸收特性的吸收器是太阳能利用的关键。设计了一种含有抗反射层的基于二维光子晶体结构的太阳能吸收器,其中砷化镓(GaAs)作为吸收介质,被填充到具有四方晶格结构的二维光子晶体的钨(W)基底圆形空腔中。采用有限元法进行了模拟计算分析,结果表明,在300～2500 nm的波长范围内,吸收器的平均吸收率为92.5%,有效吸收率高达94.9%,入射仰角为50°时,有效吸收率仍有90.13%。该结构具有全太阳光谱高吸收、偏振不敏感和广角吸收等特点。研究结果为高性能太阳能吸收器的设计提供了参考。     

基于超材料的堆叠式宽谱热辐射吸收器的设计

针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题,提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型,并模拟分析其辐射特性,计算总体吸收性能。针对给定的波长范围,通过对超材料吸收器的结构参数的改变,对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明,介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响,结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值,提升吸收器的总体吸收效率,在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。     

基于石墨烯超材料的宽频带太赫兹吸收器

为了拓展太赫兹吸收器的相对吸收带宽,设计了一种基于石墨烯超材料的超薄、宽频带、可调谐的太赫兹吸收器,其由图案化石墨烯层、电介质层和金属反射底板层叠构成。仿真结果表明：该吸收器在4.48 THz频率处的吸收率为99.98%,通过调节石墨烯的化学势可使该频点处的吸收率变化至25.08%;同时,该吸收器表现出对入射波极化不敏感的吸收特性,且在太赫兹波倾斜入射的情况下仍能保持一定的宽频带吸收特性。在此基础上设计了基于三层图案化石墨烯的太赫兹吸收器,其可进一步拓展吸收频带宽度,仿真结果表明该吸收器在1.90～5.49 THz频率之间的吸收率高于90%,相对吸收带宽为97%。     

提高红外微测辐射热计光谱吸收率的金属光栅结构研究

为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率,设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构,研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。以金作为光栅材料,利用等离激元的谐振结构,克服金属材料的高反射特性,增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。通过改变光栅的结构参数,对等离子共振波长进行调节,提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。利用有限差分法,分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理,研究金属光栅的周期、占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。随着光栅周期由2μm逐渐增加到5μm,吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象,吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5,红外吸收峰的峰值波长向短波长移动,吸收峰高度也逐渐增高,但吸收峰宽度逐渐变窄。光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大,当厚度达到一定程度后,峰值基本保持不变。峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小,当厚度不足100 nm时,峰值波长减小的程度较大,随着厚度的继续增加,下降趋势逐渐变缓,基本维持在10.6μm附近。通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理,对光栅结构参数的进一步优化,大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14μm的平均吸收率达61.6%,峰值吸收率在99%以上。金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究,对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。     

基于超材料的微波双波段吸收器

基于闭合双环单元结构, 设计、仿真、测试了对偏振无依赖性的双波段超材料吸收器. 实验结果表明, 该设计在频率4.06 GHz和6.66 GHz存在两个显著吸收峰, 吸收率分别为99.60%和95.83%, 并且在入射角达到50°时, 吸收率仍然保持在83%以上. 由于单元结构具有旋转对称性, 使得该吸收器对偏振不敏感, 能同时实现横电波和横磁波的双波段吸收. 吸收频率决定于闭合环大小, 调节闭合环尺寸能够灵活实现特定频率的吸收. 这些优点使我们的设计在多频谱成像、热辐射探测等应用中表现出较大的潜力.     

宽波段纳米超材料太阳能吸收器的设计及其吸收特性

在纳米偶极子等效电路的基础上,结合多层波导与谐振腔结构,设计了一种高吸收率、宽波段的纳米超材料太阳能吸收器。该吸收器的单元结构是由双六边形超材料纳米柱与Si圆环柱组成,其中Si圆环中镶嵌了8个微型Au纳米圆柱。采用时域有限差分方法分析了纳米超材料吸收器在宽波段、不同偏振状态的入射光以及大角度入射光下的吸收特性。数值分析表明,该吸收器的吸收波段主要集中在400~1500nm,其平均吸收率可以达到94%。不同偏振状态的入射光对吸收器的吸收率影响较小,且在±60°大入射角度时该吸收器的平均吸收率仍可达到90%。该吸收器宽波段的高吸收率是由慢波效应与局域表面等离子体共振的共同作用引起的。     

太赫兹超材料吸收器的逆向设计

提出一种顶层图案为圆环加双开口谐振环结构的吸收器,并通过神经网络实现太赫兹超材料吸收器结构参数的逆向设计。该神经网络由输入层、输出层和5层隐藏层构成,输入为所需吸收率和品质因子,根据电磁共振理论将3个结构参数设定为输出。仿真结果表明,该吸收器在1.192 THz频率处的吸收率可达99.99%,在1.22 THz频率处品质因子可达31.7,其吸收性能与目标性能的误差最小为0.9%。所提方法显著简化了吸收器的设计过程,为太赫兹超材料的快速发展提供可能。     

介电-金属多层膜结构宽谱吸收器设计方法

本论文针对介电-金属多层周期结构提出设计宽谱完美吸收器的方法。该方法在不同波长区域分别使用布洛赫理论和等频率面的光学拓扑来调控吸收谱的起始以及终止波长。利用本设计方法,设计并制备了一个在可见光和近红外波段(0.4～2μm)高吸收的宽谱吸收器。理论计算和实验测量的平均吸收谱高达95%左右。为了进一步分析本方法的物理机制,本文利用导纳分析绘制了导纳图进行说明,随着层数的逐渐增加多层结构的导纳逐渐和真空中的导纳相匹配。本文设计的完美吸收器无需刻蚀等工艺,对于太阳能收集、辐射制冷、热成像等领域具有潜在应用价值。     

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

基于二氧化钒宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器研究

本文提出了一种宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器.在超材料吸收器的结构中,引入了相变材料二氧化钒(VO2),仅利用单个可切换超表面就能实现不同的功能,其不同功能之间的相互转换通过VO2绝缘态和金属态之间的可逆相变特性实现.当VO2处于金属态时,设计的结构可以看作一个超材料宽带吸收器.仿真结果表明,在1.55THz至2....     

基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器

本文设计并制作了一种基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器.该超材料吸收器采用夹层结构,由按六边形密集排布的金属树枝阵列、双层介质基板和金属薄膜组成.通过调节树枝单元的几何参数和金属树枝阵列的排布方式,可以出现三个吸收峰,实现三频工作.通过调节三个吸收峰工作的频率形成宽频吸收,采用夹层结构提高吸收效率,从而对垂直入射到超材料表面的微波实现高吸收.实验表明吸收器的反射曲线从9.79 GHz到11.72 GHz出现了反射率小于10%的较宽吸收带,透射曲线恒等于0,吸收率大于90%的带宽为1.93 GHz.这种 关键词： 树枝状结构 夹层结构 吸收效率 吸收带宽