基于电磁超材料的可见光至中红外吸收器件的研究.pdf

基于电磁超材料的可见光至中红外吸收器件的研究

摘要

电磁超材料是一类具有亚波长尺寸的周期性人工材料，在电磁波能量收集、传输和调

控上具有天然材料所不具备的特殊物理性质和良好性能。电磁超材料吸收器件

(ElectromagneticMetamaterialAbsorbers，EMAs)可以通过特殊的结构设计来激发共振响应

从而增强对入射电磁波的吸收。从频带宽度出发，EMAs可以分为窄带吸收器和宽带吸收

器，其中窄带吸收器根据频带数目又可以分为单多频窄带吸收器。根据不同的吸收带宽，/

采用不同的材料和结构，EMAs可以在不同的波段实现不同的功能和应用，如太阳能收集、

生物传感、辐射制冷等。然而，大多数EMAs仍然存在预期结构设计难、吸收强度低、入

射角度敏感、吸收频带单一等问题。所以，针对不同的需求，设计出结构简单且具有更优

性能的EMAs是当前的研究热点。

为解决这些问题，本研究采用时域有限差分法建立模型，通过理论仿真指导实验制备，

设计并制作出结构简单、性能优异的EMAs。从电磁场调控实现宽窄带完美吸收和选择性/

辐射等物理现象着手，深入探究了不同类型的EMAs在可见光至中红外波段的光吸收行为

及其电磁响应特性，对其在太阳能光热转化、折射率传感以及无源辐射制冷等方面的应用

进行了较为系统的研究。主要研究工作及创新成果如下：

在可见光至近红外波段，设计并制备了一种基于多层平面(Fe/SiO/Ti/TiO/AlO/MgF

22232

六层)堆叠结构的超宽带吸收器，能吸收整个太阳光谱的入射光。经多目标粒子群优化算法

优化后，该吸收器在整个太阳光谱范围内表现出98.51%的高吸收。实际样品在整个太阳

光谱范围内的吸收率为94.3%。其超宽带完美吸收的特性与顶部电介质叠层优异的抗反射

特性密不可分。经估算，该器件在太阳能资源丰富的地区每年可节省大量能源。

Au

在可见光至近红外波段，设计了一种基于顶部十字架结构的多波段窄带吸收器。

该吸收器以沉积在Si衬底上的Au-SiO-Au结构阵列作为基本单元，每个基本单元包含四

2

个不对称Au十字形图案。通过等离激元共振和介电腔多次反射的协同作用，表现出5个

窄带吸收峰，经参数调整和优化后，三个吸收峰的吸收率为99%以上，五个吸收峰的平均

吸收率为96.4%。该吸收器在作为生物传感器识别病毒的应用领域展现出了巨大的潜力。

在中红外波段，设计并制作了一种基于四层薄膜(聚氟乙烯/熔融石英/Ag/SiO)堆叠结

2

构的超材料吸收器，可应用于高太阳辐射和高湿度环境的全天候无源辐射制冷。由于熔融

石英和聚氟乙烯的固有光学特性，该制冷器在太阳辐射波段平均吸收率低于4%，在大气

窗口波段的平均辐射率超过90%。实验结果表明，该制冷器能在阳光明媚的夏季且高湿度

环境中持续低于环境温度，对改变世界各地湿热地区的能源消费模式具有重要意义。

关键词：超材料；完美吸收器；宽带吸收；窄带吸收；电磁波调控

I

StudyofVisibletoMid-infraredSpectrumAbsorberbased

onElectromagneticMetamaterials

Abstract

Electromagneticmetamaterialsareaclassofperiodicartificialmaterialswith

sub-wavelengthdimensions,whichhavespecialphysicalpropertiesandgoodperformancein

electromagneticwaveenergycollection,transmissi