金属/介质光栅套构超材料： 从吸收到辐射

    张二磊+王宇飞+郑婉华

    

    

    

    摘 要： 大多数的微纳结构辐射体， 都存在相对宽带、 角度范围大， 或双边辐射、 辐射损耗大的问题， 因此降低了辐射效率。 本文提出了Au光栅与SiO2波导光栅相套构的超材料设计， 希望得到窄带、 单边的辐射特性， 还提出了Au/SiO2多层光栅与SiO2波导光栅相套构的超材料设计， 进一步提高了吸收率和窄化吸收带宽， 从而改善与吸收相关的辐射性能。 这种套构的超材料结构结合了表面等离子体效应与光子晶体效应， 是未来构建新型功能材料的发展方向之一， 在此基础上的器件也将有望表现出更加优异的性能。

    关键词： 超材料； 吸收； 热辐射； 光栅； 套构

    中图分类号：TN215 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2017）06-0077-06[SQ0]

    0 引 言

    当光传输经过光学器件的时候， 通常会发生透射或衍射、 反射以及吸收等行为。 基于对光的探索和光行为的利用， 对光行为之间的关系研究从来没有间断过。 光的非对称传输是信息处理的基础。 对应的器件不但可以通过自然的各向异性晶体或非线性材料制备[1-4]， 也可以采用近年来发展的人工微结构功能材料， 如手征超材料[5-8]、 光子晶体、 介质光栅以及等离子亚波长狭缝[9-14]。 在宇称-时间相关的系统中， 当耦合通道间的能量振荡不再对称时， 光可以表现出非互易传输的特性[15]。

    通过在金属衬底上镀一层超薄和高吸收的膜， Cappaso小组实现了对入射光的选择性吸收， 且具有低的角度敏感性[16]。 Moreau A等人通过平衡金属表面所激发的电致电流和虚构的磁致电流， 获得了大面积的可控光吸收[17]。 越来越多的人关注光能量的轉换和利用。 光吸收的研究通常应用在太阳能电池中， 通过特殊的等离子光子学结构设计， 可以获得宽带、 偏振无关、 角度不敏感的光吸收[18]。 另一方面， 光吸收可以产生热， 这种光热效应可以用于等离子光热治疗[19]、 金属纳米线接触点的融化[20]、 以及红外频段的热辐射体[21]等。

    就辐射体而言， 一些微纳结构已经被报道， 如金属-介质-金属（MIM）三明治结构[22]、 双曲超材料结构[23]、 金属光子晶体结构[24]、 表面光栅[25]等。 本文提出了Au光栅与SiO2波导光栅相套构的超材料设计， 希望得到窄带、 单边的辐射特性， 还提出了Au/SiO2多层光栅与SiO2波导光栅相套构的超材料设计， 以进一步提高吸收率和窄化吸收带宽， 从而改善与吸收相关的辐射性能。

    1 光栅套构超材料与模式杂化

    图1给出了两种超构材料的设计， 第一种为Au光栅+SiO2波导光栅的结构， 见图1（a）， 第二种为Au/ SiO2多层光栅+SiO2波导光栅的结构如图1（b）所示。 图中均只画出两个单元， 光的入射方向定义为从下到上为正方向， 从上到下为反方向。 首先分析第一种结构， 为了解超构材料的性质， 从单一光栅元件的特性着手研究。 所设计的Au光栅的条宽为1.2 μm， 厚度为700 nm， 周期为1.35 μm。

    反向入射的光为TM偏振， 电场方向平行于光栅的周期方向。

    模式杂化示意图如图2所示。

    图2（a）显示了Au光栅的一些本征吸收峰及其对应的磁场幅值分布。 吸收往往是由表面等离子共振引入的， 吸收峰对应的波长分别为1.994 2 μm， 1.724 7 μm， 1.535 0 μm， 1.403 6 μm， 意味着这些波长的光入射能够激发出超材料特定的表面等离子共振模式。 磁场幅值分布显示， 随着吸收峰波长的减小， 金膜侧壁上的磁场幅值极大值逐渐增多， 称之为表面等离子的纵向模式分布， 而后三个吸收峰在金膜的上表面呈现出明显的横向模式分布。 此外， 由于两相邻金属侧壁构成空气槽中的FP腔面， 使得第一个吸收峰在空气槽中形成了明显的腔共振， 这个吸收峰对应等离子光栅的布洛赫波长。

    图2（b）所示为第一种超材料结构的吸收谱， 这种结构采用Au填充SiO2波导光栅的空气槽， 尺度保持不变， 即为Au光栅与SiO2波导光栅套构而成。 吸收谱中存在几个吸收率高于Au光栅的吸收峰， 对应的波长分别为λ=1.906 8 μm， 1.763 3 μm， 1.555 7 μm， 1.408 4 μm， 峰的位置与Au光栅的吸收峰有所偏离， 这种现象认为是相套构的两种结构导致的模式杂化效应[26-27]。 在遵循杂化原则的前提下， SiO2波导光栅的Fano共振模式与Au光栅的特定吸收峰相杂化， 得到超材料结构的吸收峰。 换句话说， SiO2波导光栅的Fano共振增强了Au光栅对入射光的吸收， 从而使超材料的吸收率相对增大。 图中不同灰度的虚线标示出参与杂化的不同模式和最终的杂化模式。 为了验证这些模式杂化效应的成立， 对超材料结构每个吸收峰对应的磁场幅值分布进行计算。 可以发现， 在强耦合的情况下， 每个吸收峰都显示出SiO2波导光栅中导模共振与Au光栅表面等离子共振相耦合后形成超模的效果。 而最后一个吸收峰由于这种耦合较弱， 而使幅值分布显得不明显。

    图2（c）显示了测得的SiO2波导光栅的透射谱。 结构的总厚度为2.7 μm， 周期为1.35 μm， 空气槽宽为1.2 μm， 深度为700 nm。 在透射谱中有三个显著的下降峰， 分别为λ=1.865 8 μm， 1.683 1 μm， 1.486 8 μm， 是典型的Fano共振线型。 三个模式对应的磁场幅值分布如插图所示， 在SiO2波导光栅中， 均形成了导模共振形式的分布。 沿纵向按得到幅值极大值的数目来分， 分别对应一阶、 二阶和三阶Fano共振。

    2 吸收特性

    前文分析了模式杂化， 进一步研究超材料结构在光正向入射和反向入射情况下的吸收特性。 图3（a）和（b）分别给出了正向入射和反向入射后得到的ATR谱， 反向入射时， 通信波长1.55 μm处出现了吸收率高达96.43%的吸收峰， 峰宽度比ΔλFWHMλ为0.0037， 这个值低于国际现有报道[21]。 而在正向入射时对应这一波长的光的吸收率仅为2.68%。 由于两种情况下光的透射率很小约为4%， 故可以认为这种超构材料对1.55 μm的光具有单向吸收和单向反射的特性。 这是每一种单独结构材料所不具有的性质。 前文的杂化分析只给出了反向入射的情况， 而对正向入射， 仍可以采用同样的分析， 只是由于Au光栅上下界面的不同导致表面等离子激发状况不同， 因而最终的效果是同一波长的光在正向和反向入射时的吸收率差别很大。 Au光栅上界面为Au/空气， 下界面为Au/SiO2， 下方的SiO2层可以消除Au薄膜由于上下界面对称而引起的共振模式简并， 从而非对称的界面共振引起的吸收破坏了反射对易， 使得正反方向入射得到的反射率和吸收率不同。 而透射不会破坏这种对易性， 透射率保持相同。

    对于图3（a）中1.351 7 μm处和图3（b）中1.351 5 μm处出现的吸收峰， 是由结构的Wood异常造成的， 而图3（a）中2.014 5 μm处和图3（b）中2.011 3 μm处出现的吸收峰则是由有效折射率增大导致Au表面等离子光栅模式的移动造成的。 图3（c）和（d）分别为波长1.55 μm的光正向入射、 反向入射超材料结构单元时的磁场幅值分布， 很好地反映了结构内部模式耦合杂化导致的光吸收和结构外的反射特性。

    對于第一种超材料结构， 本文还研究了入射光的角度变化对其吸收特性的影响。 图4给出了光

    在正向和反向入射时的ATR角谱， 显示了当光以0°附近的入射角反向入射时， 超材料结构体现出对光强烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范围小于0.3°。 而当光以±8.6°的入射角正向入射时， 超材料结构也体现出对光强烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范围小于0.03°。 在-10° ～ +10°的入射角范围内， 除了图4所示高吸收的角度范围之外， 光不管是正向入射还是反向入射， 超材料结构均显示出高反的特性。

    为进一步提高光吸收的性能， 设计并研究了 第二种超材料结构——Au/SiO2多层光栅与SiO2波导光栅相套构的结构， 即把第一种结构的Au光栅换成Au/SiO2重复的10层纵向光栅结构， 其中Au厚度为5 nm， SiO2厚度为65 nm， 如图5（a）所示， 同样在1.55 μm的波长处， 光正向入射时有一个显著的吸收峰， 其吸收率高达98.7%， 峰宽度比为0.0033， 而在反向入射时， 吸收率仅为4.46%， 图5（b）。 这种结构的单向吸收和单向反射特性正好与第一种结构相反， 即该结构是正向吸收而反向反射， 依然是由不同界面表面等离子激发状况不同造成的。 进一步通过计算磁场幅值分布验证， 发现正向入射时在结构中也形成了导模共振与表面等离子共振相耦合的超模， 使得结构对光的吸收显著增强， 图5（c）。 而在反向入射时， 光有一小部分会在结构中形成共振的效果， 但绝大部分被反射， 图5（d）。

    对入射光的角度变化给第二种超材料吸收特性的影响进行研究。 图6给出了光在正向和反向入射时的ATR角谱， 显示了当光以0°附近的入射角正向入射时， 超材料结构体现出对光强烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范围小于0.462°。 而当光以±6.1°的入射角反向入射时， 该结构也能体现出对光强烈的吸收， 吸收率大于90%的角度范围小于0.102°。 同第一种超材料结构类似， 在-10° ～ +10°的入射角范围内， 除了高吸收的角度范围之外， 超材料结构均显示出对入射光高反的特性。

    3 由吸收到辐射

    表1对两种超材料结构的性能做了比较。 结果表明， 把单纯的Au光栅换成由Au/SiO2多层结构构成的光栅， 使整个超材料结构的吸收率有所提升， 峰宽度比降低， 但0°附近吸收高于90%的角度范围有所增加。 这两种具有单向吸收单向反射特性的超材料有望应用于信息处理， 且其高吸收率、 低峰宽度比和窄角度范围的性能使其在反激光操作和隐身技术方面也有潜在的应用价值。

    另外， 由基尔霍夫定理可知， 理想情况下的吸收等于辐射[28]， 因此等离子结构的辐射谱可以通过本征热辐射与角度相关的吸收相乘而预测[29]：

    其中： R（λ，θ）是光以一定入射角θ入射时结构的反射系数； TR（λ）为无光栅时结构的热辐射。 该式意味着前面设计的两种超材料结构还具有高辐射率、 窄带和高方向性辐射的特点。 第一种结构为反向吸收正向反射， 可等效于正向辐射的单边辐射， 第二种结构为正向吸收反向反射， 等效于反向辐射， 但由于金属层距上表面很近， 容易造成正向的泄漏辐射。 从定向热辐射的效率来说， 前一种结构单边辐射的效率较高。 就目前研究较多的可实现完美吸收的MIM结构来说， 虽然也具有单向吸收和单向反射的特性， 但就辐射而言， 由于热损耗较大， 定向辐射的效率不高。 因此， 所设计的第一种超材料结构有利于器件的高效定向加热和热辐射型探测器。

    就制备工艺而言， 这两种超材料结构只需在SiO2平板上刻蚀空气槽， 通过磁控溅射镀Au或双靶共溅交替生长Au和SiO2， 最后采用剥离的方式即可制备， 工艺相对简单易实现。

    4 结 论

    本文构建了金属光栅和介质波导光栅套构的超材料结构， 其对1.55 μm的光具有单向吸收和单向反射的性能。 而就辐射而言， 两种结构呈现窄带、 高方向性辐射， 且前一种结构还具有单边辐射的特性， 在高效定向加热等诸多方面都有潜在的应用价值。 这种套构的超材料结构结合了表面等离子体效应与光子晶体效应， 是未来构建新型功能材料的发展方向之一， 在此基础上的器件也将有望表现出更加优异的性能。

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    Metastructures Combined with Metal and Dielectric

    Gratings： From Absorption to Radiation

    Zhang Erlei1， Wang Yufei2， Zheng Wanhua2

    （1. China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China； 2. Institute of Semiconductors， Beijing 100083， China）

    Abstract： Most micronano-structure-based emitters are relatively broad-band and angle-insensitive. And double-side emission brings big loss and decreases emission efficiency. Here， unidirectional absorption and reflection of light in metastructure combined with hybridized one dimensional dielectric and metal photonic crystal， i.e. grating， are investigated. The potential applications in engineering thermal emission are discussed. Moreover， another metastructure composed of nested dielectric/metal multilayer grating and SiO2 waveguide grating is also proposed to increase absorption efficiency and narrow bandwidth， and thus improves emission performance related with absorption. These metastructures merge SPR effect and photonic crystal effect， forming one of the future development directions of constructing new functional materials. On the basis of the scheme， the device will be expected to exhibit better performances.

    Key words： metastructure； absorption； thermal emission； grating； combination