金属银对光子晶体光吸收的增强效应.pdf
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1、第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ,年 月 ,文章编号:()光子晶体金属银对光子晶体光吸收的增强效应赵宏斌,苏安,邹秒宏,李福生,蒙成举,黄育飞,高英俊(河池学院 数理学院,广西 宜州 ;河池学院 人工智能与制造学院,广西 宜州 ;广西大学 物理科学与工程技术学院,广西 南宁 )摘要:构造含金属银缺陷的光子晶体模型()(),利用传输矩阵法理论,通过计算机计算仿真的方式,研究了金属银缺陷对光子晶体光吸收特性的增强效应,发现当光子晶体中引入金属银缺陷后,光子晶体的光反射率和吸收率均得到增强。在 范围内,平均反射率增强到 ,平均吸收率增强到 ,且吸收率大小和位置可调。随着周期数 或 介质层厚度 增
2、大,光子晶体的光吸收率均得到增强,当 时吸收率高达 ,当 时吸收率高达 ,且吸收峰的位置随 增大向短波方向移动,但随 增大向长波方向移动。随着光入射角度 增大,光子晶体的光吸收率先增强到极大值后再逐渐减弱,且吸收峰的位置随入射角 增大向短波方向移动。随着 介质层厚度 增大,光子晶体的光吸收率减弱,当 时吸收率为 ,且吸收峰的位置随增大向长波方向移动。含金属银缺陷光子晶体的光吸收特性,可为新型光学吸收器、太阳能电池、滤波器和全反射器等材料研究和选择提供理论参考。关键词:金属银;光子晶体;缺陷;光学吸收;调制中图分类号:;文献标识码:基金项目:国家自然科学基金();河池学院 年高层次人才科研启动费
3、项目();河池学院科研重点项目();年广西区级大学生创新创业计划训练项目();年国家级大学生创新创业计划训练项目()资助。作者简介:赵宏斌(),男,学士,主要从事光子晶体方面的研究。:通讯作者:苏安(),男,教授,硕士,主要从事光电材料与器件方面的研究。:收稿日期:,(,;,;,):()(),:;引言光子晶体是一种将不同介电常数的薄膜介质材料按一定规律排列的人工微结构光学材料,其概念最早于 年由 和 分别提出 。光子晶体最显著的光学特性是对光具有选择性通过的光子带隙结构,电磁波受周期性势场中布拉格散射的影响会形成能带结构,能带结构之间会形成间隙,即光子晶体带隙。根据光子带隙结构的特征,可以通过
4、合理构造光子晶体结构实现人为的控制和利用光传播行为的目的,这种光学特性可为设计无损耗光波导器、光学滤波器、光开关、光吸收器等高性能的新型光学器件提供指导 。在光子晶体中的恰当位置引入某种缺陷材料,将会破坏原有的周期性结构,在光子晶体中产生缺陷从而形成新的带隙结构,并且缺陷处会局域大量的光子,使其中的光子态密度大大增强。利用这一特性,即可实现高品质的窄带滤波功能或全反射镜功能等。大量的研究结果表明,在光子晶体结构中科学合理的在不同位置引入缺陷,或在同一位置引入不同介质缺陷,不仅可以改变光子晶体原有的周期性排列结构,更重要的是能够改变光子晶体的光传输特性,提升人们所需要的光学传输品质 。已有的研究
5、报道表明,在光子晶体中引入金属材料后可以提高光子晶体结构对光的吸收作用,且含金属缺陷的光子晶体似乎有着更好的光学特性和金属特性,前人研究表明,利用掺杂金属的材料构成含金属缺陷的光子晶体,可产生光学 态,进而提高反射率或吸收率。近年来,有研究者采用金属 非金属 金属的结构模型构成了 谐振腔,增强了光子晶体的吸收能力,可见在光子晶体中合适的位置引入金属缺陷确实能在一定程度上增强光子晶体对光的反射或吸收能力 。在光子晶体中不同的位置引入相同的金属材料或在同一位置引入不同的金属材料,其光学特性也应该会存在一定的差异。基于此思考,构造出光子晶体 金属 光子晶体的结构模型,将金属银作为缺陷材料引入到光子晶
6、体结构中,在合理选择结构介质及参数的基础上,通过计算机数值计算模拟的方式研究其光传输特性及调制规律,结果可为多带宽光吸收器、太阳能电池、光开关等新型高效光学器件的设计和制作提供理论依据。结构模型与计算方法利用基元介质材料 、及金属材料 构造一维光子晶体结构模型()(),如图 所示。图 光子晶体结构模型 模型中 是 介质交替排列的重复周期数,()和()的周期数 可以取相同或不同的正整数,基元介质材料 、分别为金刚石()和三氟化铈(),对应的折射率和物理厚度分别为 、,缺陷层 为金属银,厚度取 ,金属折射率与其介电常数有关,考虑到金属内自由电子及束缚电子对金属介电常数色散关系的影响,文中采用 模型
7、 来计算不同波长情况下金属银的介电常数,具体计算公式如下:激 光 与 红 外 第 卷()(),槡()式中,是入射光的频率;,是金属银中等离子体的共振频率;是阻尼系数;为振子强度,亦即阻尼系数为 的电子所占权重为。则金属银的复折射率 ,其中折射率 和消光系数 是复折射率的实部和虚部,分别用如下公式计算:槡()槡()()根据复折射率介质的特性可知,当金属银的折射率虚部 为正数时,会产生一定的衰减作用,故将金属银作为缺陷材料,引入到传统光子晶体材料中,可对光子晶体对光的吸收起到一定的增益效果 。利用上述公式,可计算出不同波长情况下金属银对应的折射率及介电常数,如图 所示。横坐标表示波长,取 ,纵坐标
8、表示介电常数,图中实线表示金属银在不同波长时介电常数的实部,虚线表示金属银在不同波长时介电常数的虚部。从图 可见,金属银介电常数实部受波长影响较大,而虚部受波长影响相对较小。将金属银在不同波长时的介电常数代入公式()进一步计算可知,金属银的复折射率中,实部 和虚部 均会随波长的增大而增大,但虚部 随波长增大的速度较快,即虚部 对波长的响应速度较快。图 金属银介电常数随波长的变化情况 引入金属银缺陷材料后,光在光子晶体中的传播行 为,仍 然 可 采 用 传 输 矩 阵 法 进 行 计 算 模拟 ,其要义是首先分层计算出光在任意基元薄膜介质层中的传输行为,可用传输矩阵 表示,而后将所有薄膜介质层的
9、光行为传输矩阵 相乘,即可得到光在整个薄膜结构(光子晶体)中的总传输行为,以总传输矩阵 表示。第 层的传输矩阵可表示为:槡 ()其中,、和 分别对应第 层的折射率、物理厚度、平面波在介质层中垂直横跨过两个界面时的相位差和有效光学导纳;为真空介电常数;为真空磁导率;是入射光的波长;是入射光与第 层法线的夹角。则光在多层基元薄膜介质排列形成的光子晶体结构中的总传输矩阵 为:()由总传输矩阵 的矩阵元 、即可计算出光在光子晶体中的传输特性。反射系数、反射率:()透射系数、透射率:()吸收率:()计算结果与分析 引入金属银缺陷前后光子晶体的传输特性若光子晶体结构()()处于空气中,且只考虑光垂直入射情
10、况,当排列周期数 时,可计算出光子晶体引入金属银缺陷前后即()()和()()的光传输谱,如图 所示。图 中实线和虚线分别表示不含金属激 光 与 红 外 赵宏斌等金属银对光子晶体光吸收的增强效应银缺陷与含金属银缺陷时的反射谱、透射谱和吸收谱,分别如图()()所示。根据图()的实线可知,不含金属银缺陷时,光子晶体对光的反射能力较弱,仅在 范围内出现两段较强的反射带,在 波长范围内,平均反射率仅为 。再由图()的虚线可知,当引入金属银缺陷银后,波长范围内的反射率大幅提升,平均反射率提升至 。引入金属银缺陷使光子晶体在很宽的波长范围内光反射能力大幅增强的特性,可为宽带光反射镜的设计和制造提供一定的参考
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