相干热光辐射超材料吸收体的研究

A thermal radiation source, such as a blackbody or an incandescent light bulb, is usually broadband and omnidirectional in nature, in marked contrast to a laser which is both temporally and spatially coherent. In the past few years, metamaterials emerged and developed rapidly, and have provided us a unique way to manipulate light. It is able to achieve varieties of unprecedented phenomena such as negative refraction and cloak which cannot be obtained in classic optics, greatly promoting the micro-nano photonic development. In this project, we will propose a new metamaterials which can possibly radiate light both temporally and specially coherent similar to a laser. The new metalmaterials consist of paring a metallic grating with a dielectric Bragg grating. When light propagates to the structure, highly lossy plasmonic mode is excited at the interface of the metallic layer and dielectric Bragg grating, resulting in narrow band and directional emission (absorption). The research are important both in theory and practice and expected to provide us a robust tool for low-cost and compact light source.

人们通常认为热辐射光源如黑体和白炽灯,光谱很宽且发射角是全方向性的。这与在空间和时间上都相干的激光形成鲜明的对比。过去短短几年内，超材料兴起并蓬勃发展，为人类提供了一种独特的光操纵手段，簇生了很多传统光学无法实现的光学现象如负折射、隐形等，大大推动了微纳光子学科的发展。本课题将提出一种新型超材料吸收体，研究并指出热辐射光谱也可能像激光一样具有良好的空间和时间相干特性。该超材料由周期性空气孔阵列金属薄膜和介质光栅混合结构组成。当光入射到该超材料时，会在金属薄膜和光栅界面处激发一种新型高损耗表面等离子体激元，使入射光被局域在空气孔内，产生半高全宽窄且空间方向性极好的发射谱(吸收谱)。此研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值,有望为探索廉价、集成的新型光源提供一种特别的技术手段。

吸收材料能够高效吸收入射到其表面的电磁波能量，可广泛应用于太阳能转化、相干激光器、热探测器、红外光源、生物分子探测、纳米光源、热辐射仪、隐形涂层等领域，因此在现代科学和纳米技术中扮演着日益重要的角色。如果能使吸收材料在整个可见光波段都有很高的吸收效率，那么人们就可以用它把太阳光能转化日常所需的电能和热能。相对于宽带吸收材料，窄带吸收材料同样具有非常重要的应用，例如新型红外光源等。过去几十年里，研究者尝试过不同的途径来窄化吸收体光谱，如稀土材料和半导体材料 ，但遇到不少难题，如效率底，工作波长受限。近几年来，超材料（金属纳米周期结构形成的人工材料）蓬勃发展，给人们提供了一种前所未有的光操控手段。目前比较流行的是基于三层膜超材料技术。该技术对于某些实际应用很好，但是对于热辐射存在两个固有缺陷：实现的热辐射光源带宽相对仍然是比较宽的，半高全宽通常为几十纳米，在红外波段则高达上百纳米甚至微米级别；更糟糕的是，它的方向性非常差，发射谱往往是360度全方向性的。这与人们期望实现和激光一样具有很好空间和时间相干性的热辐射光还有很远的距离。. 本项目我们研究了一种能够实现相干热辐射的新型超材料。该超材料由周期性纳米结构金属薄膜和一维介质光栅（周期性多层膜）组成。当光入射到该结构时，会在金属薄膜和光栅临界面处激发高损耗表面等离子体激元，使入射光被局域在空气孔内，没有反射和透射，产生一个吸收率高达近100%的峰。本项目中，通过FDTD和COMOSL模拟研究，吸收峰波长始终位于介质光栅的布拉格禁带内，因此通过减小介质光栅的谱宽（通过减小两种介质折射率差）可以大大减小该超材料吸收体的谱宽（在红外波段，FWHM小于10nm）。更值得一提的是，该超材料辐射角度Δθ 很小（小于5度），具有很好的空间方向性。此研究为探索廉价、集成的新型红外光源提供一种特别的技术手段。通过研究发现，本项目提出的超材料设计应为具有超高FOM，可以实现超灵敏生物化学传感。