超越布洛赫模式：具有周期性电介质-电介质-金属多层结构的超宽带吸收体

《Optics & Laser Technology》：Beyond Bloch modes: Ultra-broadband absorber with a periodic dielectric-dielectric-metal multilayer

提出一种周期性介质-介质-金属多层结构，通过双层介质形成嵌入式损耗法布里-珀罗腔，结合抗反射与场增强效应抑制Bloch共振吸收凹陷，实现可见至中红外（451-3100nm）超宽带吸收（平均>94%），并利用拓扑光子学转换灵活调控截止波长，突破带宽限制。

　　

廖彦琳|张浩杰|董世佳|肖博宇|叶炳雪|陈正根|张文|赵燕

安徽大学物理学院，中国合肥230039

摘要

在基于超材料的超宽带吸收器设计中，克服布洛赫定理所施加的带宽限制仍然是一个挑战。在这项工作中，我们提出了一种策略，并通过实验验证了该策略的有效性，该方法利用周期性介电-金属多层结构来克服这一限制。其优势在于将传统布洛赫共振单元格中的单一介电层分解为两个不同的介电子层，每个子层的光厚度为四分之一波长，从而形成一个嵌入式损耗型法布里-珀罗腔。这种架构结合了抗反射效应和强场增强效应，有效抑制了由布洛赫模式引起的吸收凹陷。因此，所提出的吸收器在451–3100纳米范围内显示出超过94%的平均吸收率，并在起始带（400–451纳米）内保持87%的吸收率，覆盖了可见光到中红外光谱。此外，吸收截止频率可以通过光子拓扑转变（PTT）灵活控制。这项工作为超越布洛赫模式的限制提供了一条设计途径，为太阳能热收集、红外隐身和宽带光检测等先进应用铺平了道路。

引言

超材料吸收器能够在亚波长尺度上实现近乎完美的光捕获，推动了隐身技术、能量收集、传感、光学隔离器和电磁检测等领域的进展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。通过广泛应用新型材料[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，其性能取得了突破。超材料吸收器的研究主要分为两个方向：用于高精度应用的超窄带吸收器[17]、[18]，以及用于宽光谱能量捕获和信号抑制的超宽带吸收器[19]、[20]。实现宽带吸收通常需要将多个共振单元在平面内集成或垂直堆叠[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。然而，这些几何方法往往涉及复杂的三维纳米结构，带来了显著的制造挑战和成本。

薄膜多层堆叠由于相对简单且与标准沉积技术兼容，因此提供了一种替代方案。已经探索了使用抗反射涂层、法布里-珀罗腔和表面等离子体的策略[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。另一方面，周期性介电/金属多层结构已成为超宽带吸收的有效平台。2017年，Kan等人提出了一种基于布洛赫定理和PTT的超宽带近完美吸收器的新设计方法，利用周期性介电-金属多层结构在可见光到近红外范围（400–2000纳米）内实现了约95%的平均吸收率，并且具有全向性和偏振无关性[32]。2020年，Jiang等人提出了一种基于PTT的双曲超材料宽带光谱选择性太阳能吸收器，在300–2215纳米的宽波长范围内实现了超过90%的吸收率[33]。然而，在这些系统中，长波长吸收截止频率受到PTT的控制。关键问题是，短波长吸收的起始受到布洛赫定理的根本限制：周期性结构产生的光子带隙在布洛赫共振波长处造成了明显的吸收凹陷，这成为带宽扩展的障碍。最近，Liao等人通过结合抗反射层和PTT实现了超宽带吸收[34]、[35]。然而，由布洛赫模式在短波长边缘引起的吸收凹陷问题仍未得到解决。

在这里，我们提出了一种新的设计方法，利用周期性介电-金属多层结构来克服这一固有限制。该设计将传统单元格中的单一介电层在布洛赫共振状态下分解为两个独立的介电层，每个层的光厚度均为四分之一波长，从而在周期性晶格内形成一个嵌入式法布里-珀罗共振腔。这种配置在布洛赫共振条件下实现了阻抗匹配和强光场局部化，有效抑制了吸收凹陷，将短波长吸收边缘推到了布洛赫极限之外。结合通过PTT保持的长波长截止频率的可调性，这种策略能够控制整个吸收带宽。我们通过实验验证了该吸收器在可见光到中红外光谱范围内的高性能，证明了我们的设计原理。这项工作为超越光子吸收器的带宽限制提供了新的范式。

节选内容

宽带吸收

所提出的宽带吸收器的示意图如图1(a)所示。该器件从上到下依次由CaF₂、ZnS和Cr的周期性多层堆叠组成，其后是一层厚Cr金属和SiO₂基底。各层的厚度分别为：d₁ = 105纳米（CaF₂）、d₂ = 64纳米（ZnS）、d₃ = 6纳米（周期性单元中的Cr）以及d₄ = 150纳米（厚Cr膜）。周期性CaF₂/ZnS/Cr结构重复12个周期。

布洛赫共振下的吸收机制

为阐明所提出结构中超宽带吸收的物理机制，我们研究了入射波长与周期性多层堆叠总厚度相当的情况。在这种情况下，堆叠的多层结构表现为一种一维光子晶体，受布洛赫定理的控制[39]、[40]、[41]、[42]。这导致了所谓的布洛赫模式现象，即入射波长满足特定的相位匹配条件。

周期性介电-金属多层结构中的PTT

在多层薄膜结构中，当单元的厚度远小于入射光波长时，宽带吸收器可以等效地被视为均匀的单轴介质[44]。根据有效介质理论，其等效介电张量的垂直分量