基于非对称性结构的偏振敏感多模式吸收器

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超材料领域中负折射率材料、光学手性材料、吸收器、电磁隐形斗篷已成为近几年的热点研究方向。超材料吸收器作为超材料领域的一项重要应用,其凭借着自身独特的电磁特性,成为科研工作者们的研究热点。超材料吸收器通过设计优化结构参数,使其在特定的波段完成对光的吸收作用。然而大多数的超材料吸收器多集中于对偏振角度不敏感,对偏振角度敏感吸收器的研究比较少。偏振敏感吸收器可以有效地利用偏振来主动调控光的吸收,具有高偏振敏感度的吸收体可以应用于检测技术,以增强目标对比度。因此,偏振敏感吸收器也成为了近几年科研人员的焦点话题。在本论文中,利用时域有限差分法(FDTD),基于表面等离激元的原理,采用传统的超材料吸收器三层模型,分别在金属以及石墨烯领域进行研究拓展,针对红外波段提出了两种偏振敏感多模式吸收器。主要工作可概括如下:1、设计了一种基于金属的近红外偏振敏感多模式吸收器。由传统的(金属-介质-金属)MIM超材料吸收器结构组成,采用双椭圆结构,利用其非对称性的特点,x偏振入射光下在2.73μm处实现了100%的单频带吸收;而y偏振入射光下在1.68μm和2.07μm实现了双频带吸收,且吸收率都达到了100%。通过计算电场强度,发现每个吸收峰均由对应极化状态下的偶极子共振和PF(法布里-帕罗)共振激发,且互不影响。计算偏振角度为0°~360°下的吸收光谱,得出吸收光谱与角度成周期性变化,周期为180°。该吸收器的设计可广泛应用于近红外探测器等器件中。2、设计了一种基于石墨烯的主动调控的中红外偏振敏感多模式吸收器。它是由二氧化硅介质层隔开的多层石墨烯构成,放置于金属反射层上。由于结构的非对称性,x偏振入射光时吸收器分别在27.3μm和31.9μm处实现了90%以上的吸收率;y偏振入射光时在16.3μm和21.2μm处实现了90%以上的高吸收率。通过对电场强度分布和表面电流密度的分析,发现在同一极化下,吸收峰是被对应的每层石墨烯单独的激发;因此,通过增加石墨烯层数可以获得更多的吸收频带。调节费米能级从0.2e V~1e V,该偏振敏感吸收器可以实现约30μm的宽波段工作范围。此外,从0°~360°改变偏振入射角可以主动控制多频带吸收器的峰值数和峰值强度。所提出的基于石墨烯的主动可调偏振敏感多频带吸收器的设计方法可以广泛应用在中红外器件,如在偏振敏感滤光片和探测器等方面都具有潜在的应用前景。
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