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。     

混合超表面窄带吸收器的仿真设计及特性研究

金属-介质-金属结构的超表面窄带吸收器应用广泛,但金属固有的欧姆损耗会导致吸收峰的半高全宽偏大,影响吸收器在传感领域的应用。本文用介质顶层结构取代超表面的金属顶层结构,设计了一种介质-介质-金属结构的混合超表面窄带吸收器。吸收器由Al₂O₃倒圆台顶层阵列、SiO₂中间介质层以及银膜基底组成,通过有限元法对吸收器的吸收光谱进行仿真,结果显示吸收器在可见光波段产生最大吸收率为99.88%、半高全宽为2.26 nm的吸收峰。通过与相同尺寸参数的金属-介质-金属超表面窄带吸收器进行吸收光谱和吸收峰处电场分布的对比,分析两种结构不同的吸收原理。同时对混合超表面窄带吸收器尺寸参数对吸收峰的影响,吸收器对外界折射率的传感性能进行仿真和分析,为该结构吸收器的可调性和稳定性,以及在折射率传感上的应用提供参考。     

电环形谐振腔表面几何参数对太赫兹超材料吸收体性能的影响

本文分析了电环形谐振腔的几何参数对超材料吸收体吸收率的影响。文中详细分析了电环形谐振腔参数、介电层（间隔物）厚度和电环形谐振腔厚度对超材料吸收体的影响,在此基础上,设置正交实验分析了几种参数的综合影响,最终获得超材料的理论吸收率。根据上述结果,制备了2个超材料吸收体的原理样机,经实验测得,原理样机的窄带吸收率高于98%。本文的研究成果为高性能吸收器的设计提供了指导。     

电环形谐振腔表面几何参数对太赫兹超材料吸收体性能的影响（英文）

本文分析了电环形谐振腔的几何参数对超材料吸收体吸收率的影响。文中详细分析了电环形谐振腔参数、介电层(间隔物)厚度和电环形谐振腔厚度对超材料吸收体的影响,在此基础上,设置正交实验分析了几种参数的综合影响,最终获得超材料的理论吸收率。根据上述结果,制备了2个超材料吸收体的原理样机,经实验测得,原理样机的窄带吸收率高于98%。本文的研究成果为高性能吸收器的设计提供了指导。     

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.     

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%.     

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收.本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ_1=0.553μm、λ_2=0.769μm、λ_3=1.130μm三通道上提高了石墨烯吸收效率,石墨烯吸收效率最高可达41%.对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振.经过模拟分析可知,通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率,而石墨烯化学势仅能对共振峰λ_3的吸收效率有影响.最后优化结构参数,在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上,这可以作为超材料吸收器.     

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。     

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。     

混合谐振模式宽带长波红外超表面吸收器研究

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求,设计了一种工作在长波红外波段(8~14μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面,以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6μm的带宽范围内,该结构有超过90%的平均吸收率,覆盖了大部分长波红外大气窗口波段,对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明:镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因,并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考,该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。     

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     

基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器

本文提出一种基于圆台形吸收单元的超宽带、极化不敏感的超材料太赫兹吸收器. 该超材料吸收器采用金属薄膜金和介质层二氧化硅交替叠加的多层结构. 采用商业软件CST Studio Suite 2009时域求解器计算了其在0–10 THz波段内的吸收率A（ω）,在2–10 THz之间实现了对入射太赫兹波的超宽频带强吸收. 仿真结果表明,由于其圆台形单元结构,在器件垂直方向上形成一系列不同尺寸的微型吸收器,产生了吸收频点相连的多频吸收峰. 利用不同吸收峰的耦合叠加效应,获得超过8 THz的超宽带太赫兹波吸收,吸收强度达到92.3%以上. 这一结构具有超宽带强吸收,360°极化不敏感以及易于加工等优越特性,因而在太赫兹波探测器、光谱成像以及隐身技术方面具有潜在的应用. 关键词： 太赫兹波 超材料吸收器 圆台结构 超宽带     

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%。     

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。     

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。     

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....     

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.     

基于科赫分形的新型超材料双频吸收器

本文提出了一种基于科赫(Koch)分形结构的新型超材料双频吸收器,其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成.通过利用分形结构的空间填充性,其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减.与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同,该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式.而且由于结构上具有旋转对称性,该型吸收器对入射波的极化方向不敏感,在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率.文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析,测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.     

超薄柔性透射型超构材料吸收器

设计并加工了一种超薄柔性透射型吸收器,总体厚度为0.288 mm,可实现柔性弯曲,容易做到与曲面目标共形.该吸收器由三层结构组成,底层是金属光栅,中间为介质层,表面单元由两条平行放置的尺寸不同的金属线组成.仿真和实验结果表明,对横电波在5和7 GHz的吸收分别达到97.5%和96.0%,对横磁波在3.0—6.5 GHz都能保持90%以上的透射率.两个吸收频点可分别独立调节,增加了设计的灵活性.另外,当入射角增大到60°时,该吸收器的性能基本不受影响,表现出良好的广角特性.