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超强激光科学卓越创新简报

(第二百八十二期)

2022年6月22日

上海光机所在基于ENZ材料的宽带完美吸收体研究方面取得进展

  近期,中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室在基于ENZ (epsilon-near-zero)材料的宽带完美吸收体方面取得新进展。研究团队提出了一种基于ENZ模式和局域表面等离激元共振(LSPR)模式非劈裂耦合的可调宽带完美吸收体的设计方案,利用亚波长单层ITO椭球壳阵列激发空间分离的ENZ和LSPR模式,在1435-1680 nm范围内实现了>98%的偏振无关、广角光吸收。该方案兼容低成本的自组装技术,有利于低成本大面积宽带完美吸收体制造。相关成果以“Polarization-Independent,Tunable,Broadband Perfect Absorber Based On Semi-Sphere Patterned Epsilon-Near-Zero Films”为题发表在《应用表面科学》(Applied Surface Science)上。

  光吸收在许多线性和非线性光学应用中是至关重要的。近年来,平面 ENZ材料为各种窄带、宽带、可调谐完美吸收体提供了有效的解决方案。然而,平面ENZ材料用于完美吸收面临显著的偏振依赖和角度依赖问题,限制了基于平面的ENZ材料的完美吸收体的应用场景。ENZ材料与超表面结合可解决上述偏振和角度依赖问题。然而,目前的超表面方案不可避免地涉及复杂设计、多步制造,以及昂贵的FIB或EBL技术,使得器件尺寸限制在百微米量级。

  研究团队提出了基于半球图案化的ENZ薄膜的宽带完美吸收体方案,利用半椭球壳ENZ薄膜独特的超薄薄膜和纳米颗粒特征,激发空间分离的ENZ和LSPR共振模式,实现宽带完美吸收。独特的结构对称性使得吸收体具有偏振无关和宽角特征,而ENZ材料的主动可调特征赋予了吸收体可调谐能力。此外,完美吸收体兼容自组装工艺,可低成本实现厘米级甚至晶圆级器件制备。除ITO材料外,本文提出的完美吸收体方案适用于其他具有ENZ和等离激元特征的ENZ材料,如CdO、AZO、TiN等,有利于实现更多波长范围的宽带完美吸收体。

  相关研究获得了国家重点研发计划,国家自然科学基金以及中科院战略性先导科技专项的支持。

  原文链接

图1 (a)ITO半椭球壳激发单元及可调吸收带的实现原理示意图;(b)宽带完美吸收体结构示意图;(c)器件截面的微观形貌;(d)器件的反射光谱及实物图。

图2 (a)器件在不同入射角下的反射光谱;(b)器件在不同偏振态下的反射光谱。

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