超材料窄带完美吸收体的若干实现方案及特点

胡新广 黄志永

（黄山学院信息工程学院，安徽 黄山245041）

天然材料介电常数和磁导率的局限，已经不能满足人们根据需求对光波进行操纵的目的，尤其是光子器件正在向集成和小型化发展[1]。通过构造亚波长结构的人造基本单元周期性或非周期性排列，超材料（Metamaterials）可以实现对入射光波（或电磁波）的电场、磁场的共振耦合，从而获得天然材料所不具备的超常电磁特性，如负折射率现象、电磁隐身特性和超透镜特性等，进而实现根据需求对入射光波进行操控的目的[2，3]。因此，自超材料概念被提出并在实验中得到证实以来，对超材料的研究受到学者们的极大关注，成为多个学科研究领域的热点[4，5]。在多数情况下，超材料结构中金属的损耗严重制约了相关器件性能的提升[4]，然而在完美吸收体的研究中，这一损耗却能带来便利。正因如此，基于超材料结构的完美吸收体的研究成为超材料研究领域的一个重要分支[6]。

利用超材料结构首次实现完美吸收的文献报道来自微波领域[7]。相比于传统吸收体的实现方案（主要由基于4■波片入射反射相消原理的体材料制备），基于超材料结构的完美吸收体拥有尺寸更小、更薄且设计更加灵活的优势。因此，自完美吸收现象在超材料结构中被发现以来，人们在这方面开展了大量实验、理论研究工作，研究的领域也逐渐从微波逐渐扩展到太赫兹、近红外甚至可见光领域[8]。本文主要选取了超材料结构中完美吸收体三种常见的实现方案，通过对比其工作原理、结构特点和工作性能说明了不同方案的工作特点，为完美吸收体在不同应用下的需求提供了参考。

1 基于表面等离激元型超材料结构中窄带完美吸收体的研究

根据经典电磁理论，在无限大金属-介质分界面处存在一种新的电磁共振模式——表面等离激元（Surface Plasmons），它具有突破光学衍射极限的能力及与环境介质折射率密切相关的特性，在光子器件小型化和传感器件的研究领域中被人们寄予了厚望。在早期超材料的研究中，其基本结构单元的主要成分为金属，因此，超材料结构中的超常电磁特性通常与金属结构局域共振模式（文献中常称之为Localized Surface Plasmons）的激发密切相关。鉴于此，将表面等离激元的激发引入窄带完美吸收的实现方案中，可以设计出具有较高传感灵敏度（Sensitivity，通常被定义为S=δλ/δn，即单位折射率的改变所引起共振波长的漂移量）的传感器。基于以上思想，人们提出了将周期性排列的超材料结构单元（相当于光栅）直接放置在金属薄膜上的超材料结构[9，10]，其典型结构如图1所示。这类窄带完美吸收体工作的原理是将金属薄膜上方的光栅看成是对均匀介质的微扰，根据光栅激发表面等离激元的理论：

图1 基于表面等离激元的光栅+金属薄膜超材料结构实现的窄带完美吸收体结构示意图（a）及其结果（b）[9]

K0和KSPP分别表示入射电磁波的波矢量和表面等离激元共振的波矢量，i和j为光栅分别在x，y方向上的衍射级数；Gx和Gy为超材料结构在x，y方向上的倒格矢；εm、εd分别表示金属材料和均匀介质的介电常数。由于金属薄膜的存在使入射光波不能透过，因此，当光栅衍射有效激发金属-介质分界面的表面等离激元时，便可实现窄带完美吸收。一般来说，受限于光栅一级衍射的制约，其完美吸收共振波长略大于超材料结构的周期；另外，根据式（1）和式（2）可

为解决完美吸收共振波长略大于结构周期的非深度亚波长问题，笔者在近期提出了可以利用在金属-衬底分界面激发表面等离激元的解决方案[11]。根据式（2），由于在该方案中，表面等离激元波长和衬底介电常数密切相关，因此采用具有较大介电常数的介质作为衬底，可以实现完美吸收共振波长大于结构周期数倍的完美吸收体。

一般来说，由于金属材质对入射光波的吸收损耗，基于表面等离激元型的完美吸收体可实现纳米量级的吸收谱线带宽，更加精细的结构优化可以达到亚纳米级别。此外，采用介质结构作为激发表面等离激元的光栅，可以得到比采用金属结构光栅更好的窄带特性。在传感灵敏度方面，采用金属-介质分界面（金属薄膜上表面）激发的表面等离激元类型的完美吸收体具有较高的传感灵敏度。

2 基于介质结构共振型超材料结构中窄带完美吸收体的研究

随着研究的深入，近年来人们发现全介电（alldielectric）环境下高折射率亚波长结构也可以通过米氏共振（Mie resonances）来对实现对入射电磁波磁场的响应，实现与金属材质构造的超材料结构类似的超常电磁特性，同时，又避免了由于金属损耗而导致器件性能的下降，引起了人们的广泛关注[12]。同金属材质构造的超材料结构类似，介质超材料结构的超常电磁特性取决于介质结构的共振特性。将介质结构引入窄带完美吸收体的研究，其实现方案一般是将金属薄膜或金属腔壁和介质结构结合起来，利用介质结构共振模式的模场部分深入金属材料中而使模式能量逐渐被金属吸收，来达到对入射光波完全吸收的目的[13-18]。目前，文献报道中常见的介质共振模式有导模共振[13-15]、Fabry-Pérot（FP）光学谐振腔或腔模共振[16-18]等，图2为基于FP腔型窄带完美吸收体结构及模场分布。

图2 基于介质共振型超材料结构的窄带完美吸收体典型结构示意图（a）及共振模场分布图（b）和（c）[17]

耦合模理论常被人们用于分析窄带完美吸收体的 实 现 条 件 和 谱 线 宽 度[9，11，18]，根 据 耦 合 模 理 论，单 端口模型的吸收率可表示为：

其中，ω0为结构共振模式的圆频率；γrad，γres分别为系统共振模式辐射损耗和吸收损耗，当入射波频率与系统共振模式频率相同时，系统对入射电磁波的吸收率为4γradγres/（γrad+γres）2。特殊地，当损耗满足临界耦合条件时，即γrad=γres，系统可以实现近100%的吸收。在满足临界耦合条件下，完美吸收体的谱线宽度Γ=2（γrad+γres）=4γrad。

根据耦合模理论，若实现窄带完美吸收，则要求系统共振模式的辐射损耗与吸收损耗在平衡的前提下尽可能地小。以金属材质为主要成分超材料结构的吸收损耗较大，因此，不利于窄带完美吸收体的设计和实现。而在介质结构共振型超材料结构中，由于系统的辐射损耗主要来自介质结构的共振模式，其量值一般很小，因此，只需设法降低金属的吸收损耗，使两者平衡，便可实现窄带的完美吸收体。相比较而言，介质结构共振型完美吸收体往往具有更窄的谱线宽度特性，但其传感灵敏度一般小于基于表面等离激元型的完美吸收体。

3 基于石墨烯超材料结构中窄带完美吸收体的研究

在使用金属作为损耗介质吸收电磁波的同时，采用其他具有损耗特性的介质实现对电磁波吸收的研究也在悄然地进行着。其中，最为代表性的材料是石墨烯。石墨烯是由碳原子构成的单层蜂窝状二维晶体结构，具有十分优异的光电特性，它可以实现从紫外到太赫兹波段的全光谱响应，具有超快的响应速度和超高的载流子迁移率等[19]，被广泛地应用于光电器件的设计和研究。石墨烯的光电特性可以用其表面电导率来描述[20]：

式中e、kB、T、和ω分别为电子电荷量、玻尔兹曼常数、热力学温度、约化的普朗克常数以及入射光波圆频率；τ和EF分别为载流子的弛豫时间和费米能级。显然，费米能级可以用来调谐石墨烯的光电特性。因此，基于石墨烯的超材料可实现对吸收特性的“编辑”[20，22]。一般来说，单纯的单层石墨烯对入射光波的吸收率在约2.3%[23]，将单层石墨烯铺在具有共振模式的超材料结构上，则可以利用超材料结构的共振效应来增强石墨烯对入射光波的吸收，这类似于基于介质结构共振型超材料窄带完美吸收体的研究。不同的是，若实现窄带完美吸收体，还需借助结构底部金属或布拉格光栅反射镜的作用[19，24-26]，其典型结构如图3所示，这使得基于石墨烯超材料结构完美吸收体的设计要稍显复杂。然而，由于石墨烯的光电特性可以通过改变费米能级而变化，因此，基于石墨烯的窄带完美吸收体将被赋予更多的光电性能，如调谐性[27]。另一方面，根据耦合模理论，完美吸收体的带宽受限于辐射、吸收损耗平衡时的总损耗，石墨烯的低损耗特性，有利于设计更窄的吸收谱线。

图3 基于石墨烯超材料的窄带完美吸收体典型结构示意图（a）及其吸收谱线（b）[25]

4 结语

超材料科学的研究正方兴未艾，利用超材料结构实现窄带完美吸收体的设计方案多种多样，每年都有大量的文献问世。本文选取了目前文献报道中常见的窄带完美吸收体实现方案，结合其工作原理、典型结构及谱线特点进行了说明。相比较而言，基于表面等离激元型超材料结构窄带完美吸收体的实现方案，在精细的优化结构下，可以获得纳米量级的谱线宽度，其一般具有较高的传感灵敏度，但由于表面等离激元激发来自光栅的一级衍射，使光栅结构周期一般略小于表面等离激元的共振波长；基于介质结构共振型超材料结构窄带完美吸收体的实现方案，由于其共振模式来自介质结构，因而对外界环境的敏感度不及基于表面等离激元的完美吸收体，但其谱线宽度更容易在纳米、亚纳米量级实现，其单元结构相对共振吸收波长更小；基于石墨烯超材料结构中窄带完美吸收体的实现方案，其本质类似于介质结构共振型窄带完美吸收体，利用介质结构的共振模式，在底部金属或布拉格光栅反射镜的作用下，单层石墨烯可以近似实现对入射光的完全吸收，其结构相对复杂，但由于石墨烯的光电特性可以通过费米能级而改变，因而，基于石墨烯的窄带完美吸收体具有更多的光电性能。