一种四通道吸收器优化设计研究

本文基于阻抗匹配原理和表面等离子体共振理论,设计了一种石墨烯-MIM结构-金属铝(Al)底板三层结构超材料吸收器。采用时域有限差分法FDTD研究和分析了吸收器的共振吸收光谱,电磁场能量分布,并优化了设计结构。研究结果表明,该吸收器具有近红外波段四个超窄带吸收峰;最大吸收率可达0.943,3 dB带宽均为3.55μm左右。吸收器顶层覆盖石墨烯增强光吸收并激发表面等离子体波;随着石墨烯层厚度的增加,四通道吸收光谱整体右移,但吸收率几乎不变;四个吸收峰峰位波长对MIM结构高度不敏感,伴随吸收率变化明显,当MIM结构高度为110 nm时,相邻三通道吸收率均达到最大值。这种多通道、超窄带吸收器可为高精度传感、功能成像和三维存储等领域的应用提供有用参考。

高平坦度可调谐多通道吸收器的优化设计

为了提升多通道吸收器的平坦度和光谱特性的可调性,本文构建了一种硅基底/铝底板/银单缝/石墨烯/二氧化硅(SiO_(2))介质层的五层结构多通道吸收器。不但吸收光谱特性易调谐,各通道平坦度也可提升到2.84 dB。基于电磁场时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)从理论上分析了结构设计尺寸对吸收光谱的影响规律,同时优化了设计结构。模拟结果证明,吸收器顶层设置SiO_(2)介质层和单缝内填充Au均可显著增大吸收通道的平坦度,同时通过调节顶层SiO_(2)或上层石墨烯的宽度,可有效调谐吸收光谱通道数、通道间隔和单通道带宽;尤其可通过改变石墨烯费米能级实施吸收频段和吸收率的需求选择,在生化检测、环境监测和智能传感等领域均具有较好的应用前景。