基于光学Tamm态耦合特性的可调谐多频光吸收器研究

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光吸收器作为一种能对光进行强有效吸收的器件,在光伏发电、传感器、热辐射器、探测器和成像等领域有着重大的应用价值。光学Tamm态(Optical Tamm state,OTS)作为一种新型界面模式,常见于金属-光子晶体(M-PhC)结构和一维光子晶体异质结(PhC1-PhC2)结构,可被TE偏振光和TM偏振光直接激发,无需特定的入射角。基于光学Tamm态的光吸收器,具有吸收率高、偏振无关、入射角度宽、吸收峰可调谐等优点,是当前的研究热点。本文基于光学Tamm态的耦合特性,设计了两种基于光学Tamm态的可调谐多频光吸收器,并进行了研究。具体研究工作如下:(1)首先,对M-PhC结构和PhC1-PhC2结构中的光学Tamm态进行了研究。建立了M-PhC结构和PhC1-PhC2结构中光学Tamm态的理论模型,利用软件Comsol,分析了金属薄膜厚度、缺陷层厚度、入射光角度和光子晶体周期数对M-PhC结构中光学Tamm态的影响;分析了光子晶体周期数、入射光角度和光子晶体中心波长对PhC1-PhC2结构中光学Tamm态的影响。然后,研究了M-PhC1-PhC2结构和PhC1-M-PhC2结构中光学Tamm态的耦合特性和光隧穿效应。研究结果表明,M-PhC1-PhC2结构中光学Tamm态耦合特性主要受光子晶体PhC1周期数的影响,PhC1-M-PhC2结构中光学Tamm态耦合特性主要受金属薄膜M厚度的影响。(2)基于光学Tamm态的耦合特性,提出了一种基于金属-光子晶体异质结-金属(M-PCH-M)结构的可调谐三频光吸收器。建立了理论模型,利用软件Comsol,研究了金属薄膜厚度、缺陷层厚度、入射光角度和光子晶体周期数对光学Tamm态的影响,并对吸收谱和电场强度分布图进行了详细分析。研究结果表明,该光吸收器对于金属薄膜厚度有一定的容限,降低了制造工艺的难度;改变缺陷层厚度可以在保持高吸收率的同时有效地设计吸收峰波长;改变入射光角度和偏振模式可以实现吸收峰位置可调谐;光子晶体周期数的改变可以影响光学Tamm态的激发和耦合作用。(3)基于光学Tamm态的耦合特性,提出了一种基于光子晶体-金属-光子晶体-金属-光子晶体(PhC-M-PhC-M-PhC)结构的可调谐四频光吸收器。建立了理论模型,利用软件Comsol,研究了金属薄膜厚度、缺陷层厚度、入射光角度和光子晶体周期数对光学Tamm态的影响,并对吸收谱和电场强度分布图进行了详细分析。研究结果表明,通过改变金属薄膜的厚度可以明显改变吸收峰位置和吸收峰之间的间距;当缺陷层厚度改变时,对吸收峰的波长位置影响不大,厚度为d_D=57.2nm时是设计制造光吸收器的理想选择;入射光角度的改变可以实现吸收峰位置可调谐,并且在宽角度范围内,TM偏振光入射的可调谐性能要好于TE偏振光入射;光子晶体周期数的改变,可以影响吸收峰的数量以及光学Tamm态的激发情况。本文提出的两种基于光学Tamm态耦合特性的可调谐多频光吸收器结构简单、制作方便、吸收率高、吸收峰位置可调谐,在太阳能电池、传感器、热辐射器和窄带滤波器等领域具有潜在的应用价值。
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