光学仪器 第41卷 2016年,江西师范大学Lu等提出基于7=1000m,W=150nm,W1=600nm,l=35m, 与金属基板耦合的三层电介质超材料结构的PMA,ln=15mm;通过叠加20层的金属一电介质单元 在可见光波段范围内可以实现四个吸收带,其最层得到了红外波段较宽的吸收谱,吸收率大于 大的吸收率可以达到989%,窄带宽为2nm。95%的谱线覆盖了3~35m的波长范围,其半 该PMA实现了近乎完美的偏振无关以及入射角峰全宽(FWHM)约为吸收谱线的86%,如图 不敏感多频带吸收,这些发现为多波段光吸收体5(b)所示,而且该吸波器还具有宽入射角的特 和高集成度光电子器件的应用铺平了道路。 点。但是缺点也很明显,在加工上存在很大的难 度,在实验室不容易实现,同时该结构对偏振角 14宽频带PMA 敏感。在此基础上 Liang等改进了该吸波器,采 相对于窄带宽PMA的应用,宽频带PMA用二维锥形结构实现在02~26μm波段的宽频 的应用范围更加广泛。利用有效的方法实现宽频吸收。该器件具有宽频带、宽角度、偏振不敏感 吸收是当前PMA发展亟需解决的问题之 等特点,可以应用于太阳能光伏领域。 2010年,北京工业大学赵晓鹏课题组设计 2017年上海交通大学wang等提出了 出一种基于树枝型结构的宽频带PMA,该结种基于双曲超材料Bi2Ie3的金字塔形纳米结构 构由双层六边形密排的树枝型结构、两块介质基阵列的PMA,如图6(a)所示,其中1=4mm,w2= 板和金属底板组成。通过改变树枝结构的排布方200m,A=200mm,H=3000mm,h=100nm 式并调节几何参数可以在工作波段内实现三个吸该结构是浸入水中的。通过理论分析可知该吸收 收峰,实验测得在9.79~11.72GHz频率范围内体可以对300~2400nm宽波长范围内的太阳光 的吸收率大于90% 达到接近100%的吸收。吸收谱如图6(b)所示。 2012年,Cui等提出了一种锯齿状的非该种结构的PMA可以应用于水或者水溶液的光 均质宽频带PMA,如图5a)所示,其中P=800nm,热转化中太阳能的有效利用。 0.8 Metal absorber (a)结构示意图 (b)吸收光谱图 图5cu等提出的 PMA Fig. 5 The PMA proposed by Cui et al 1.5光调控PMA LC谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射到器件 201年, howdy等P在开环谐振器表面并且能量逐渐增加时,狭缝内的硅片由于导 SR)的狭缝中嵌入硅片,基底材料为蓝宝石,电损耗的增加导致LC谐振和三阶偶极共振强度 如图7所示。入射的太赫兹波偏振方向与开口狭逐渐减弱,而且谐振频率发生红移。当泵浦光的 缝平行,当没有泵浦光照射器件表面时,太赫兹能量增加至1200mW时,原始的两处谐振消 透射谱在0.6THz和1.76THz处分别出现基模失,在128THz处出现一个新的谐振。2016 年，江西师范大学 Liu 等 [17] 提出基于 与金属基板耦合的三层电介质超材料结构的 PMA， 在可见光波段范围内可以实现四个吸收带，其最 大的吸收率可以达到 98.9%，窄带宽为 2 nm。 该 PMA 实现了近乎完美的偏振无关以及入射角 不敏感多频带吸收，这些发现为多波段光吸收体 和高集成度光电子器件的应用铺平了道路。 1.4    宽频带 PMA 相对于窄带宽 PMA 的应用，宽频带 PMA 的应用范围更加广泛。利用有效的方法实现宽频 吸收是当前 PMA 发展亟需解决的问题之一。 2010 年，北京工业大学赵晓鹏课题组设计 出一种基于树枝型结构的宽频带 PMA[18]，该结 构由双层六边形密排的树枝型结构、两块介质基 板和金属底板组成。通过改变树枝结构的排布方 式并调节几何参数可以在工作波段内实现三个吸 收峰，实验测得在 9.79～11.72 GHz 频率范围内 的吸收率大于 90%。 2012 年，Cui 等 [19] 提出了一种锯齿状的非 均质宽频带PMA，如图5(a) 所示，其中P=800 nm， T=1000 nm，Ws=150 nm，W1=600 nm，td=35 nm， tm=15 nm；通过叠加 20 层的金属—电介质单元 层得到了红外波段较宽的吸收谱，吸收率大于 95% 的谱线覆盖了 3～3.5 μm 的波长范围，其半 峰全宽 (FWHM) 约为吸收谱线的 86%，如图 5(b) 所示，而且该吸波器还具有宽入射角的特 点。但是缺点也很明显，在加工上存在很大的难 度，在实验室不容易实现，同时该结构对偏振角 敏感。在此基础上 Liang 等改进了该吸波器，采 用二维锥形结构实现在 0.2～2.6 μm 波段的宽频 吸收。该器件具有宽频带、宽角度、偏振不敏感 等特点，可以应用于太阳能光伏领域。 2017 年上海交通大学 Wang 等 [20] 提出了一 种基于双曲超材料 Bi2Te3 的金字塔形纳米结构 阵列的 PMA，如图 6(a) 所示，其中 w1=4 nm，w2= 200 nm， Λ=200 nm， H=3000 nm， h=100 nm； 该结构是浸入水中的。通过理论分析可知该吸收 体可以对 300～2400 nm 宽波长范围内的太阳光 达到接近 100% 的吸收。吸收谱如图 6(b) 所示。 该种结构的 PMA 可以应用于水或者水溶液的光 热转化中太阳能的有效利用。 (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 A N=20 Effective medium absorber 3 4 5 6 7 λ/μm ε||, ε⊥ V X Z Metal Dielectric tm td W1 P Ws τ 图 5   Cui 等 [19] 提出的 PMA Fig. 5    The PMA proposed by Cui et al[19] 1.5    光调控 PMA 2011 年 ， Chowdhury 等 [21] 在 开 环 谐 振 器 (SRR) 的狭缝中嵌入硅片，基底材料为蓝宝石， 如图 7 所示。入射的太赫兹波偏振方向与开口狭 缝平行，当没有泵浦光照射器件表面时，太赫兹 透射谱在 0.6 THz 和 1.76 THz 处分别出现基模 LC 谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射到器件 表面并且能量逐渐增加时，狭缝内的硅片由于导 电损耗的增加导致 LC 谐振和三阶偶极共振强度 逐渐减弱，而且谐振频率发生红移。当泵浦光的 能量增加至 1200 mW 时，原始的两处谐振消 失，在 1.28 THz 处出现一个新的谐振。 • 84 • 光 学 仪 器 第 41 卷