CN105576384B - 一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器 - Google Patents

一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，包括：MIM波导和波导内的金属‑DBR‑金属插层‑DBR‑金属结构，其中金属‑DBR‑金属插层‑DBR‑金属结构两侧金属厚度不同，以金属插层为中心，其两侧DBR的周期数分别为N1和N2。本发明是一种新颖的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，TM偏振光由左侧正入射，通过MIM结构，可以在波导内高效激发出Gap‑SPPs，而处于波导内的金属‑DBR‑金属插层‑DBR‑金属结构可以激发出多重光学Tamm态，并相互耦合形成多个劈裂的吸收峰，实现多通道的窄带完美吸收。本发明的表面等离子体吸收器结构紧凑，易于加工和高质量制备，在危险物质检测、高光谱多频成像、相干热辐射和隐身技术等领域有较好的应用前景。

Description

一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器
技术领域
本发明涉及纳米光子学领域，特别涉及的是一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器。
背景技术
表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是局域在金属表面的一种电磁波模式，是基于入射电磁辐射与金属表面传导电子或金属纳米级颗粒的相互作用，激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，由于其可以在亚波长尺度对电磁波进行约束和调制，故逐渐成为纳米光子学这一热门领域最有潜力的信息载体。基于SPPs的各种纳米光子器件被认为是最有希望实现纳米全光集成回路的基础。
由于SPPs产生时，分布在金属表面的自由电子发生集体震荡，会使大量的光子能量转化为自由电子的振荡能量，从而形成对光的强烈吸收，表面等离子体光吸收器就是一种能够对光频电磁波进行有效吸收的亚波长纳米光器件，相对于传统的光学吸收器而言，不需要使材料的介电常数呈渐变分布，且尺寸小、易于集成、参数易设计、结构易制备，在抗电磁干扰、危险物质检测、相干热辐射和隐身技术等领域有着重要的应用。适当的设计表面等离子体光吸收器的结构，可以控制吸收器的效率，并调节吸收峰的带宽和位置，近年来诸如表面等离子体光栅型吸收器、间隙等离子体与F-P共振混合吸收器、Tamm等离子体完美吸收器等各种等离子体吸收器结构被提出。
在表面等离子体窄带吸收器领域，如何实现多通道可调谐窄带完美吸收是等离子体吸收器设计面临的关键问题。目前，对于微纳结构下可调谐多通道完美吸收器的研究较少，大多数多通道吸收器仍停留在通过调整谐振结构的尺寸、形状和组合方式来实现，不仅加工困难而且具有较大的尺寸，吸收率也不能近乎完美，其较大的带宽和不可调谐的吸收峰位置严重限制了其应用范围。2005年Vinogradov等人提出了另一种表面波—光学塔姆态(OTS)，与SPPs不同，OTS是由于Bragg反射而在界面上形成的、强度沿分界面向两边材料衰减的无损耗表面态，相比SPPs，衰减较小，表现出良好的光学特性。由于在光子晶体禁带中的布洛赫波以倏逝波的形式存在，可视作磁单负材料，而金属薄膜在此情形下的介电常数为负，电磁波被限制在金属表面，可视作电单负材料，两者都体现出高反的特性，当光子晶体和金属间薄交界面的光场向两边的反射光束满足相干相长的相位匹配条件时，实现了光场的共振增强。从而在光子晶体禁带的中心频率附近可以得到一个极窄的反射凹峰(dip)，可用于提 升吸收特性，实现窄带宽、高吸收率的吸收器。如Yongkang G等人在近红外波段提出的一种基于光学Tamm态的等离子体吸收器，通过在MIM波导内引入金属—DBR结构，使得满足金属和缺陷层(DBR最后一层)界面两侧的阻抗差值为零的电磁波以TM偏振入射时，不仅在MIM波导中会形成间隙等离子体，还会在两者界面处观察到很强的电磁场局域，激发出光学Tamm态，将能量约束于波导结构中，实现吸收率高达0.991的强吸收。但是其只能实现单通道的吸收，无法应用于危险物质检测、高光谱多频成像等要求窄带多通道吸收的领域。2014年，Yang C等人基于亚波长光栅结构首次提出了三通道窄带吸收器，开辟了多通道完美吸收的道路，但吸收率不够完美，且通道数不可调谐，也无法实现更多通道的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型多通道可调谐完美吸收器，在MIM等离子体波导内引入金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构，从而激发多个光学Tamm态，并相互耦合劈裂，形成多个吸收峰。通过各种参数的调节，可以实现多通道、可调谐的完美吸收。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，包括：MIM波导和波导内的金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构，其中金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构两侧金属厚度不同，以金属插层为中心，其两侧DBR的周期数分别为N1和N2。
所述金属插层的个数n与通道数N的关系式为N＝2n+1，其中n≥0。
所述金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中薄金属端为入射端，厚金属端为出射端。
所述MIM波导和波导内的金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构的尺寸与入射光波长具有相同量级，但小于入射光波长。
所述MIM波导和金属-DBR-金属插层-DBR-金属中的金属采用Ag、Au或Al。
所述DBR由高折射率介质A和低折射率介质B构成，折射率分别为nA，nB，厚度分别为dA，dB，ω0为Bragg频率，所述介质A为GaAs或TiO2，所述介质B为Al2O3或SiO2。
所述MIM波导的介质为空气层，所述空气层的厚度为50～160nm。
所述金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中薄金属的厚度为20nm，厚金属的厚度为70nm左右。
MIM波导结构以空气作为介质。金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构两侧的金属厚度保持不变，中间金属插层的厚度和个数可调谐，以金属插层为中心，其两侧DBR的周期数分别为N1和N2。金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构可以使多重光学Tamm态耦合形成多个劈裂的吸收峰，实现多通道的窄带完美吸收。
两个独立的DBR周期数相同(N1＝N2)时，认为波导内结构对称，两个独立的DBR周期数不相同(N1≠N2)时，认为波导内结构非对称。DBR周期数N1与N2可调谐，两者的不同组合可以移动吸收峰的位置。
金属插层厚度的变化会影响多重光学Tamm态之间的耦合强度，从而移动吸收峰。金属插层的个数n与吸收峰个数N(即通道数)的关系式可以表示为N＝2n+1(其中n≥0)。
波导宽度和DBR介质厚度可调谐，两者的变化均可移动吸收峰的位置。
由于金属-DBR-金属和DBR-金属-DBR结构均可以产生二重Tamm态的耦合劈裂，形成对称模式和反对称模式，故在金属-DBR-金属结构中加入金属插层，构成金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构，可以将整个结构看成两个金属-DBR-金属和一个DBR-金属-DBR结构的组合，在形成更多通道数的同时，也保证了各通道的高吸收效率和窄带宽特性。并可以通过改变金属插层的个数来灵活调节通道数目。
本发明是一种新颖的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，TM偏振光由左侧正入射，通过MIM结构，可以在波导内高效激发出Gap-SPPs，而处于波导内的金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构可以激发出多重光学Tamm态，并相互耦合形成多个劈裂的吸收峰，实现多通道的窄带完美吸收。通过调节金属插层两边DBR的周期数、波导宽度以及DBR介质的厚度可以移动吸收峰的位置。若增加DBR中金属插层的数目n，可以增加吸收峰的个数N(即通道数)，其与金属插层数的关系式可以表示为N＝2n+1(其中n≥0)。本发明的表面等离子体吸收器结构紧凑，易于加工和高质量制备，在危险物质检测、高光谱多频成像、相干热辐射和隐身技术等领域有较好的应用前景。
附图说明
图1为多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器剖面视图，附图标记1-薄金属端；2-厚金属端；3-金属插层；4-MIM等离子体波导；5和6为构成DBR的介质。
图2金属插层两侧DBR的周期数分别为N1＝N2＝2.5和N1＝2.5，N2＝1.5时，完美吸收器的吸收谱。其中，MIM波导中空气层的厚度为w＝70nm，波导内两侧金属膜厚分别为dm1＝20nm、dm2＝70nm、金属插层厚度为dm＝20nm。
图3(a)是金属插层两侧DBR的周期数为N1＝N2＝2.5时，吸收峰对应波长(λ＝1152nm、1240nm、1426nm、1567nm)正入射，完美吸收器中的磁场分布；(b)是金属插层两侧DBR的周期数为N1＝2.5、N2＝1.5时，吸收峰对应波长(λ＝1097nm、1274nm、1511nm、1935nm)正入射，完美吸收器中的磁场分布。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明的作进一步的说明。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其结构包括：MIM等离子体波导4、厚度保持不变的金属薄膜1和2、厚度可调谐的金属插层3、构成DBR的介质5和6。在金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中，正入射定义为薄金属端为入射端，厚金属端为出射端。其中波导中空气层的厚度设为70nm。
MIM等离子体波导、金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中的金属为Ag，其介电常数可参考Drude模型：其中为带间跃迁对介电常数的贡献，为等离子体共振频率，为电子碰撞频率。为真空中的入射光频率。
波导内的DBR由介质5(GaAs)和介质6(Al2O3)组成，其折射率分别为nGaAs＝3.56，nAl2O3＝1.7，厚度分别为dA＝68nm，dB＝84nm，以金属插层为中心，左侧DBR的周期数为N1，右侧DBR的周期数为N2，波导内两端金属厚度设置为dm1＝20nm，dm2＝70nm，金属插层厚度dm可调。通过对各参数的调控，可以控制吸收峰的个数和位置。
图2实线为金属插层两侧DBR的周期数为N1＝N2＝2.5时，完美吸收器的吸收谱，波导中空气层的厚度为w＝70nm、波导内两侧金属膜厚分别为dm1＝20nm、dm2＝70nm、金属插层厚度dm＝20nm。如图所示，在λ＝1152nm、λ＝1240nm、λ＝1426nm、λ＝1567nm处出现了四个明显的吸收尖峰，吸收率均高于0.99，且四个吸收峰对应的半高宽(Full Width at HalfMaximum,FWHM)分别为8nm、19nm、25nm和40nm。虚线为N1＝2.5、N2＝1.5，其他参数不变的情况下，完美吸收器的吸收谱，在λ＝1097nm、λ＝1274nm、λ＝1511nm、λ＝1935nm处有四个窄带的吸收尖峰。实现了多通道、可调谐、窄带完美吸收。
图3(a)和(b)分别为N1＝N2＝2.5和N1＝2.5、N2＝1.5时，以吸收峰对应波长正入射时，完美吸收器中的磁场分布。可以发现，虽然这两种情况的吸收谱上均呈现出四个吸收峰，但当N1＝N2时，耦合竞争的结果是：在其左侧结构中只存在基于磁场正极大的对称模式和反对称模式，而右侧结构中不仅存在上述的两种模式，还存在基于磁场负极大的对称模式和反对称模式，但两侧结构中磁场的对称性保持一致，即金属插层两侧结构中的磁场要么都是对称的，要么都是反对称的，而N1≠N2时金属插层两侧结构中的磁场只存在对称和反对称的 结合。
本发明相对于其他表面等离子体吸收器，具有多通道、窄带的完美吸收特性，且其吸收峰的位置和个数可以通过改变金属插层两边DBR的周期数、波导宽度、DBR介质厚度和金属插层的个数来调节，且在对称和非对称结构下形成的多个劈裂吸收峰具有不同特性，该吸收器在危险物质检测、高光谱多频成像、相干热辐射和隐身技术等领域具有潜在的应用。

Claims (5)

1.一种多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其特征在于包括：MIM波导和波导内的金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构，金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构两侧金属厚度不同，以金属插层为中心，其两侧DBR的周期数分别为N1和N2，两个独立的DBR周期数不相同，即N1≠N2；
所述金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中薄金属端为入射端，厚金属端为出射端；所述金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构中薄金属的厚度为20nm，厚金属的厚度为70nm左右；
所述DBR由高折射率介质A和低折射率介质B构成，折射率分别为nA，nB，厚度分别为dA，dB，ω0为Bragg频率，所述介质A为GaAs或TiO2，所述介质B为Al2O3或SiO2；
可以通过改变金属插层的个数来调节通道数目。
2.根据权利要求1所述的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其特征在于：所述金属插层的个数n与通道数N的关系式为N＝2n+1，其中n≥0。
3.根据权利要求1所述的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其特征在于：所述MIM波导和波导内的金属-DBR-金属插层-DBR-金属结构的尺寸与入射光波长具有相同量级，但小于入射光波长。
4.根据权利要求3所述的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其特征在于：所述MIM波导和金属-DBR-金属插层-DBR-金属中的金属采用Ag、Au或Al。
5.根据权利要求3所述的多通道可调谐Tamm等离子体完美吸收器，其特征在于：所述MIM波导的介质为空气层，所述空气层的厚度为50～160nm。
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Denomination of invention: A multichannel tunable Tamm plasma perfect absorber

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License type: Common License

Record date: 20201021

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