一种基于各向异性材料的偏振调制完美吸收器及设计方法

本发明属于光学器件领域，更具体地，涉及一种基于各向异性材料的偏振调制完美吸收器及设计方法。

背景技术：

1、完美吸收器是一种能够近乎100％吸收电磁波的新型光学器件，广泛应用于能量收集装置、光互连与通信、显示和传感等领域。通常制作完美吸收器主要有两种方式，一种是基于微纳结构的超表面和超材料实现对电磁波的完美吸收，然而这种方式设计往往过于复杂，并且制备成本高昂。另外一种方式是通过多层膜结构的干涉相消原理实现对电磁波的完美吸收，仅通过调控膜层厚度便可轻松实现对吸收波长的改变，该方式结构简单，无需复杂与昂贵的设计与制备过程。

2、然而，不论是基于微纳结构还是多层膜，其结构一旦固定，对电磁波的吸收特征也固定(例如目标吸收波长不再改变)，无法满足完美吸收器动态调控和可重构的需求。通过引入并调控外场(比如电场(nano lett.,vol.14,pp.6526-6532,2014))来实现对完美吸收器的动态调控和可重构是一种常用的方法。引入相变材料，比如锗锑碲(gst)(adv.mater.,vol.27,pp.4597-4603,2015)材料或者二氧化钒(vo2)(appl.phys.lett.,vol.101,pp.221101,2012)，动态调控相变环境(温度或者电场等)来实现材料相变最终实现可重构完美吸收器则是另外一种常用的方法。然而，在改变外场或者相变环境动态调控器件性能的方法中，引入的外部激励将会增加能量的消耗，并且材料对外激励的响应也需要相对更多的时间，上述两种方式都需要外场或者相变环境的激发，这将会影响调制速度，也存在能量转化过程中的损耗问题，因此如何能够高效地实现完美吸收器的动态调控和可重构目前仍然是一大挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于各向异性材料的偏振调制完美吸收器及设计方法，其目的在于通过调整入射光的偏振角，由此解决现有的完美吸收器结构一定固定，其目标吸收波长就无法调控的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于各向异性弱吸收材料的偏振调制完美吸收器，沿入射光的光路依次设置有偏振调制结构以及吸收结构；

3、所述吸收结构的顶部与所述光路垂直设置，所述吸收结构为多层结构，沿光路方向包括顶部各向异性弱吸收层、氧化物层以及底部基底；

4、所述顶部各向异性弱吸收层的材料为硒化亚锗gese、硒化亚锡snse或者α相三氧化钼α-moo3，用于吸收所述入射光；所述氧化物层以及底部基底层用于阻挡所述入射光透过所述吸收结构；所述偏振调制结构用于通过调整所述入射光的偏振角，以调控所述偏振调制完美吸收器对应的目标波长。

5、优选地，所述氧化物层的材料为二氧化硅，所述底部基底的材料为硅。

6、优选地，所述偏振调制结构包括偏振片以及与偏振片连接的运动机构；所述偏振片用于使所述入射光产生偏振；所述运动机构用于旋转偏振片，从而调整所述入射光的偏振角

7、优选地，所述偏振调制结构包括沿入射光的光路依次设置的偏振片以及半波片；

8、所述偏振片用使所述入射光产生α度的偏振角；所述半波片用于将偏振角扩大为2α；在所述半波片上连接有运动机构，用于进一步调整所述入射光的偏振角。

9、优选地，所述各向异性弱吸收层的材料沿平面内晶轴方向的吸收系数逐渐递减。

10、作为进一步优选地，所述各向异性弱吸收层的材料沿平面内晶轴方向的吸收系数逐渐递减至零。

11、按照本发明的另一方面，提供了一种偏振调制完美吸收器的设计方法，包括以下步骤：

12、s1.在不同各向异性弱吸收层的厚度以及氧化物层的厚度的组合下，根据各向异性弱吸收层在目标波长的复折射率张量，获得所述各向异性弱吸收层的反射率；

13、s2.根据所述反射率，获得各向异性弱吸收层在目标波长对应不同偏振角α时的吸收率；

14、s3.当目标波长的吸收率的最大值超过阈值时，获得对应的各向异性弱吸收层的厚度以及氧化层的厚度的组合，以及对应的偏振角。

15、优选地，所述反射率为各向异性弱吸收层在二维平面内沿ac和zz方向的反射率rac和rzz，所述反射率rac和rzz满足

16、raccos2α+rzzsin2α＝|rac|2cos2α+|rzz|2sin2α

17、其中，rac和rzz分别为所述各向异性弱吸收层沿ac和zz方向的反射系数，α为偏振角。

18、作为进一步优选地，所述吸收率abs(α)与偏振角α以及反射率满足关系：

19、abs(α)＝1-raccos2α-rzzsin2α

20、优选地，所述步骤s1中的所述目标波长为范围值，在所述步骤s3中，获得对应的各向异性弱吸收层的厚度以及氧化物层的厚度的组合，以及对应范围值内不同波长的偏振角。

21、按照本发明的另一方面，还提供了一种通过上述方法设计的偏振调制完美吸收器，所述偏振调制完美吸收器的各向异性弱吸收层的厚度、部氧化物层的厚度以及偏振角均按照上述方法获得。

22、综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：

23、1.从结构方面来讲，将各向异性弱吸收层材料与氧化物层结构结合制作成完美吸收器，无需设计与制作复杂的微纳结构以实现对应的功能；且该多层结构能够长期稳定存在，也不会对外界环境造成污染；

24、2.从功能上来讲，在获得了最优的各向异性弱吸收层的厚度和底部氧化物层的厚度的前提下，仅通过调控偏振角实现对吸收波长的动态调控，极随着偏振角的改变完美吸收器的吸收波长随之改变，大地降低了仿真与制备成本，实现了动态与可重构调控；本发明利用偏振角动态调控完美吸收器吸收波长的技术方案无需消耗额外的能量，并且调制效率很高。

25、3.本发明采用将各向异性弱吸收层材料附着在带有氧化物层的基底结构上，有利于器件的小型化与集成化，这是因为一方面硒化亚锗、硒化亚锡或者α相三氧化钼等各向异性弱吸收层材料的横向尺寸可以缩小到微米级别，从而使得整个功能层小型化，另一方面大部分集成器件集成在基底上，因而本发明与集成化的片上系统有着天然的兼容性。

技术特征：

1.一种偏振调制完美吸收器，其特征在于，沿入射光的光路依次设置有偏振调制结构以及吸收结构；

2.如权利要求1所述的偏振调制完美吸收器，其特征在于，所述氧化物层的材料为二氧化硅，所述底部基底的材料为硅。

3.如权利要求1所述的偏振调制完美吸收器，其特征在于，所述偏振调制结构包括偏振片以及与偏振片连接的运动机构；所述偏振片用于使所述入射光产生偏振；所述运动机构用于旋转偏振片，从而调整所述入射光的偏振角。

4.如权利要求1所述的偏振调制完美吸收器，其特征在于，所述偏振调制结构包括沿入射光的光路依次设置的偏振片以及半波片；

5.如权利要求1所述的偏振调制完美吸收器，其特征在于，所述各向异性弱吸收层的材料沿平面内晶轴方向的吸收系数逐渐递减。

6.一种偏振调制完美吸收器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述反射率为各向异性弱吸收层在平面内沿ac和zz方向的反射率rac和rzz，所述反射率rac和rzz满足

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述吸收率abs(α)与偏振角α以及反射率满足关系：

9.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述步骤s1中的所述目标波长为范围值，在所述步骤s3中，获得对应的各向异性弱吸收层的厚度以及氧化物层的厚度的组合，以及对应范围值内不同目标波长的偏振角。

10.一种偏振调制完美吸收器，其特征在于，所述偏振调制完美吸收器的各向异性弱吸收层的厚度、氧化物层的厚度以及偏振角按照权利要求6-9中任意一项所述方法而获得。

技术总结
本发明公开了一种基于各向异性材料的偏振调制完美吸收器及设计方法。所述偏振调制完美吸收器沿入射光的光路依次设置有偏振调制结构以及吸收结构；所述吸收结构的顶部与所述光路垂直设置，所述吸收结构沿光路依次包括顶部各向异性弱吸收层、氧化物层以及底部基底；所述顶部各向异性弱吸收层的材料为硒化亚锗GeSe、硒化亚锡SnSe或者α相三氧化钼α‑MoO<subgt;3</subgt;；所述偏振调制结构用于通过调整所述入射光的偏振角，以调控所述偏振调制完美吸收器对应的目标波长；所述吸收结构用于吸收所述入射光。本发明将各向异性弱吸收层材料与氧化物层结构结合制作成完美吸收器，无需设计与制作复杂的微纳结构以实现对应的功能。

技术研发人员：谷洪刚,郭正峰,刘世元
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11