基于一维光子晶体的角度选择吸波体

陆亚东,张先涛

(西南交通大学信息光子与通信研究中心,成都 610031)

基于一维光子晶体的角度选择吸波体

陆亚东,张先涛

(西南交通大学信息光子与通信研究中心,成都 610031)

提出了一种基于一维PC(光子晶体)的角度选择吸波结构,通过级联若干周期长度不同的PC,裁剪其光子带隙使得该吸波体波矢的实部和虚部仅在布鲁斯特角处有解,在380～700 nm波段(全可见光波段)对以布鲁斯特角入射的p极化入射光实现了角度选择吸收,并且角度选择宽度小于5°。仿真结果表明,该吸波体对以布鲁斯特角入射的入射光的吸收率达99%以上,实现了完美吸收。以上结构能实现定向吸收,在太阳能转换等领域具有一定的应用前景。

光子晶体;角度选择;布鲁斯特角;吸波体

0 引 言

新型吸波材料和吸波结构在光电探测、热辐射控制、传感器以及光电子集成等领域具有广泛的应用前景[1],因此被广泛研究。其中角度选择吸波体有着重要的研究意义,它在电磁辐射定向吸收、能量转换以及太阳能收割等方面具有相应的应用前景。特别是在太阳能吸收系统中,角度选择吸波结构扮演着重要角色[2]。Liao等人基于等离子体布鲁斯特效应通过金属光栅结构在红外波段实现了超宽带的角度选择吸收[3],但该结构的角度选择宽度大于10°。因此,如何在可见光波段实现具有较宽的工作频带和较好的角度选择效果的吸波体,还需要进一步研究。此外,最近Shen等人的方案在可见光波段实现了宽带角度选择滤波[4],验证了PC(光子晶体)对可见光方向操控的可行性。本文提出了一种基于一维PC的吸波结构。在全光波段对p极化的入射光在其布鲁斯特角处实现了角度选择吸收,并且角度选择宽度小于5°,其他角度的入射光均被反射。仿真结果表明,该吸波体对以布鲁斯特角入射的入射光吸收率达99%以上,实现了完美吸收。此外,本文还分析了吸波体吸波性能与PC周期长度之间的关系,为该吸波体的制备提供了相关理论依据。

1 理论模型及计算方法

PC的应用大都基于对其光子带隙的利用。根据PC能带结构的相关理论可知,通过调节组成PC的堆栈的周期长度可以控制其光子带隙的坐落位置;通过多个周期长度不同的堆栈组合可以控制带隙的宽度[5]。因此,可以控制其带隙使得波矢最终只在布鲁斯特角处有解,其他入射角处则是光子带隙。这样就可以实现角度选择。

图1所示为可实现角度选择吸收的一维各向同性PC的结构示意图,该PC由若干周期长度不同的堆栈i(i=1,2,3,…)组成,各个堆栈含有n个具有相同厚度的介质层ai和介质层bi组成的双介质层,其周期长度Ti=da+db,其中da和db分别为介质

层a和介质层b的厚度。堆栈i的周期长度可用一个几何级数表示:Ti=T0*r(i―1)nm(i=1,2,3,…),其中T0为第一个堆栈的周期长度,r为厚度的递增系数。本文采用TMM(传输矩阵法)来分析该PC的传输特性。通过TMM可以计算出PC的反射谱和透射谱[6]。此外对于组成PC的介质为有耗介质的情况,TMM同样有效[7]。PC入射面和出射面处的磁场和电场可以由其传输矩阵联系起来[7]:

图1 角度选择吸波体的结构示意图

式中,M为PC的传输矩阵;d为PC的总厚度;k为布洛赫波矢。通过下式可对k进行求解:

式中,mi,j(i,j=1,2)为其传输矩阵(二阶矩阵)中的相应元素,k为复数且有k=k1―i*k2(k2＞0)。引入一个变量y,设

通过式(4)和式(5)可以分别得到布洛赫波矢的实部和虚部:

2 数值计算与分析

在数值计算中我们选取介质a的材料参数为{εa=1.5+0.001i,μa=1},介质b的材料参数为{εb=4.5+0.001i,μb=1},入射光的波段为380～700 nm。此外,基于几何棱镜系统[8]可以实现空气兼容的角度选择,因此本文不讨论入射光从空气入射。假设PC两侧的介质均为介质a,而入射光是从介质a中入射到PC表面。我们用30个堆栈组成PC,其周期长度的增长方式为Ti=140* 1.061 2(i―1)n m(i=1,2,3…30)。得到PC的传输特性如图2所示。可以看出,由上述PC构成的吸波体在全光波段具有明显的角度选择吸波效果,角度选择范围是58°～62°,并且对以布鲁斯特角θB(θB= arctan(εa/εb)1/2=60°)入射的入射光实现了完美吸收,吸收率在全波段达99%以上。

图2 PC的传输特性仿真结果

为了进一步研究该吸波体的吸波性能,我们分析了其周期长度按不同规律变化时的角度选择吸收特性。分别考虑周期长度按线性函数递增以及按幂函数递增的情况。当周期长度线性递增,即Ti= 140+15*(i―1)nm(i=1,2,3…30)时,PC的吸波结果如图3(a)所示,吸波性能与堆栈个数的对应关系如图3(b)所示。由图3可以看出,当PC的周期长度按线性函数递增时,它仍然具有明显的角度选择吸波效果,且其吸收率与组成PC的堆栈的个数有关,随着堆栈个数的增加其吸收率逐渐增大。

图3 周期长度线性递增时吸波体的吸波性能

图4 为周期长度递增规律对吸波性能的影响。当周期长度按幂函数递增时(Ti=140*i(4/3)nm,其中i=1,2,3…30),其也具有角度选择效果,只是与其他两种递增方式相比,其角度选择宽度达到了15°,角度选择效果较其他两种情况更差。由图4 (b)可以看出,当PC分别由30个周期长度(每个堆栈含有20个双介质层)按指数规律和60个(每个堆栈含有5个双介质层)周期长度按线性规律递增的堆栈组成时,它们的角度选择吸波性能是一致的,但是此时PC的整体厚度分别为820和274μm。由上述分析可知,该PC吸波体的角度选择吸波性能与其周期长度的递增规律有关。

图4 周期长度递增规律对吸波性能的影响

除周期长度的递增规律会影响该吸波体的吸波性能之外,介质材料的损耗(介电常数虚部)也会影响吸波体的性能。图5所示为材料介电常数虚部的大小对该吸波体吸波效果的影响。由图5(a)可知,当构成吸波体的堆栈个数相同且较少时,材料介电常数的虚部越大,吸波体的吸波效率越高。但由图5(b)可以看出,随着材料损耗的增大,虽然在目标角度处的吸波率仍然理想,但是其角度选择宽度也越来越大。因此,在制造该吸波体时,可以综合考虑设计的尺寸大小、加工复杂度及其目标角度选择宽度,然后来选择具体的介质材料。可用于制造该吸波体的材料有硅、聚酰亚胺等折射率变化不敏感的自然材料,也有人工表面电磁超材料。

图5 介电常数虚部的大小对吸波性能的影响

3 结束语

本文提出了一种基于一维PC的角度选择吸波体。对380～700 nm波段内的入射光实现了角度选择吸收,并且角度选择宽度小于5°,其他角度的入射光均被反射。该吸波体对以布鲁斯特角入射的入射光的吸收率达99%以上,实现了完美吸收。这一特性使得该结构在电磁波定向吸收、能量收割等领域具有潜在的应用前景。此外,本文还分析了结构周期长度及材料参数对吸波体吸波性能的影响,为该吸波体的制备提供了相关理论依据。

[1]Granier C H,Afzal F O,Lorenzo S G,et al.Optimized aperiodic multilayer structures for use as narrow-angular absorbers[J].Journal of Applied Physics,2014,116(24):243101―243110.

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[7]王辉,李永平.用特征矩阵法计算光子晶体的带隙结构[J].物理学报,2001,50(11):2172―2178.

[8]Shen Y,Hsu C W,Yeng Y X,et al.Broadband angular selectivity of light at the nanoscale:progress,applications,and outlook[J].Applied Physics Reviews,2016,3(1):011103.

Angular Absorber Based on One Dimensional Photonic Crystal

LU Ya-dong,ZHANG Xian-tao
(Center for Information Photonics&Communications,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The angular absorber based on one-dimensional Photonic Crystal(PC)has been proposed and investigated.The absorber consists of multiple one dimensional PC,which has different periodicities.Both the real part and the imaginary part of the wave vector of the absorber will only have solutions at the Brewster angleby tailoring the overlap of the band gaps of these multiple one-dimensional PC.The absorber exhibits angular selectivity(the Brewster angle)in absorption within a broad waveband from 380 nm to 700 nm(the visible wavelengths)under p-polarized illumination.It is also noted thatthe angular width in absorption is less than 5°.The simulation results show that the angular absorbance is above 99%,i.e.,perfect absorptionhas been achieved,when the incident lights illuminate on the absorber with the incident angle equalingto the Brewster angle.This feature of absorbing lights in a certain direction may have the potential in some new applications,such as solar thermophotovoltaic systems.

photonic crystal;angular selectivity;the Brewster angle;absorber

TN929

A

1005-8788(2016)06-0042-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.012

2016-06-16

国家重点基础研究发展计划资助项目(2013CBA01704,2012CB315704);国家自然科学基金资助项目(61335005,61325023)

陆亚东(1990―),男,江苏泰州人。硕士研究生,主要研究方向为微纳光子学。