双向超宽带偏振选择性吸收与透射中红外超材料

《Nanomaterials》：Bidirectional Mid-Infrared Metamaterial with Ultrabroadband Polarization-Selective Absorption and Transmission

　　

光学超材料提供了一个多功能平台，用于在亚波长尺度操控光的振幅、相位和偏振，因此对紧凑型偏振控制器件具有吸引力。然而，同时实现具有双向操作的宽带偏振选择性吸收和透射仍然具有挑战性。在此，研究人员提出了一种双向中红外偏振选择性超材料，其包含集成有复合金光栅的多层条带谐振器。对于x偏振入射，最终的双向结构在3.95至12.15 μm范围内保持高于80%的吸收率，平均吸收率为90.4%。对于正交的y偏振入射，在同一光谱范围内平均透射率达到约94%。该器件展现出宽带偏振选择性，平均吸收消光比和透射消光比分别达到16.5 dB和42.6 dB。电磁场和结构分析表明，宽带x偏振吸收与多个局域共振以及晶格和法布里-珀罗腔相关的贡献有关，而高y偏振透射主要由金光栅的偏振选择性响应实现。对称配置保留了从任一侧照明的互补偏振响应，为中红外波段宽带多功能偏振控制提供了一条途径。

一、研究背景与现存问题

传统红外偏振器件基于双折射晶体、线栅偏振器或多层薄膜，通常受限于体积庞大、材料色散、工作带宽有限及集成兼容性差等问题。超材料和超表面通过工程化亚波长结构，为实现灵活的光幅值、相位、偏振及传播控制提供了替代方案，其紧凑的外形和结构设计自由度使其成为多功能集成红外偏振器件的理想选择。尽管已有诸多进展，但在单一亚波长平台上同时实现一种线偏振光的宽带吸收与正交偏振光的高透射仍具挑战。此外，实际红外光学系统中，器件可能因光路和系统配置不同而从任一侧被照明，维持反向照明下一致的光学性能可增强器件灵活性并简化复杂光学系统的集成。现有非对称金属-介电超材料的响应通常强烈依赖于照明方向，难以在翻转或双向光传播条件下保持一致的偏振选择性性能。虽然已有研究展示了具备双向能力的超材料器件，但在宽光谱范围内同时实现高吸收率、高透射率、大偏振消光比及方向无关的操作仍是难题。

二、研究内容与意义

研究人员提出了一种由复合光栅结构与多层条带谐振器集成的宽带中红外双向偏振选择性超材料器件。该器件实现了x偏振光的高效宽带吸收，同时保持了正交y偏振光的高透射率，并在宽光谱范围内获得了高偏振消光比，相较于先前报道的结构在整体性能上实现了进一步提升。通过电磁场和结构分析识别了负责宽带吸收的共振贡献以及负责高透射的光栅介导机制。进一步考察了角度响应和不同折射率衬底的影响。最后，引入沿传播方向对称的配置，实现了从任一侧照明时相同的偏振选择性功能，从而扩展了器件在双向红外偏振操控和集成光学系统中的应用潜力。

三、关键技术方法

研究人员采用Lumerical FDTD Solutions（2025版）进行数值仿真评估器件性能。模拟中设置线性偏振平面波沿z方向正入射，z方向边界条件设为完美匹配层（PML），x和y方向设为周期性边界条件。金的折射率数据取自参考文献[31]，ZnSe取自[32]，Si₃N₄取自[33]，Ge和Ti亦取自相应文献。反射率R和透射率T由软件直接计算，吸收率通过公式A = 1 ? R ? T获得。

四、研究结果

4.1 光谱响应与偏振选择性

在x偏振光入射下，该器件表现为宽带高吸收体：在3.95–12.15 μm宽光谱范围内吸收率超过80%，吸收峰位于4.3、7、9和11 μm波长处，带内平均吸收率达90%，工作带宽为8.2 μm，相对带宽达102%。x偏振透射率在工作波段内保持在0.05%以下。对于y偏振入射，平均透射率约为94%。偏振选择性通过吸收消光比（AER）和透射消光比（TER）量化，工作波段内平均吸收消光比（AAER）约为19.6 dB，平均透射消光比（ATER）高达40 dB。

4.2 物理机制分析

在7.05、9.4和11 μm吸收峰处观察到显著的局域场增强，电场主要集中在Ti谐振器边缘，磁场主要约束在谐振器下方的介电层内，表明这三个吸收峰主要与谐振器支持的局域表面等离激元共振（LSPR）模式相关。较短谐振器主要贡献约7.05 μm的峰值，较长谐振器则关联9.4和11 μm的两个峰值。去除Si₃N₄层后，两个长波峰合并为一个位于约10.4 μm的单峰，表明Si₃N₄在该光谱区域的epsilon近零（ENZ）响应和较强材料损耗增强了长波吸收并导致共振分裂。约4.3 μm的吸收峰对谐振器长度不敏感，源于周期性阵列的晶格共振与多层谐振结构的法布里-珀罗（F-P）腔模式的协同耦合。

4.3 阻抗匹配分析

提取的有效阻抗显示，对于x偏振光入射，超材料在宽光谱范围内近乎与自由空间阻抗匹配，有效抑制了界面反射，强化的局域电磁场随后在金区域引起显著欧姆耗散并在有损介电质中产生介电损耗，使耦合入结构的电磁能被高效吸收。对于y偏振光入射，超材料展现出更宽且更好的阻抗匹配，但由于y偏振场未能有效激发强耗散共振模式，其与器件的耦合及耗散较弱，从而保持了高透射率。

4.4 角度依赖性

随着入射角增大，阻抗匹配逐渐恶化导致x偏振吸收效率略有降低，但即使在60°入射角下，整个工作波长范围内的吸收率仍保持在70%以上，平均吸收率超过80%。y偏振光在不同入射角下的透射率随角度增大而略微下降，但在60°入射角下平均透射率仍保持在约83%，表明该超材料在大角度范围内均能保持稳定的宽带偏振选择性性能。

4.5 衬底影响

将器件置于BaF₂、ZnSe和Si衬底上时，x偏振吸收光谱几乎不变，因为入射x偏振光与上层多层谐振腔强耦合并在到达结构底部前已被大部分吸收。y偏振透射率随衬底折射率增加而逐渐降低，原因是衬底界面反射增强。对比裸空气-衬底界面的透射率发现，图案化结构还为y偏振光提供了抗反射贡献。吸收消光比随衬底折射率增加而降低，但对于Si衬底AAER仍保持约16 dB。透射消光比对衬底更为敏感，其平均值随衬底折射率增加而下降，但对于所有三种衬底仍保持了较大的偏振对比度。

4.6 双向对称结构

通过在金光栅两侧均放置ZnSe-Si₃N₄-Ge-Ti谐振器构建了沿传播方向对称的配置。该双向偏振选择性超材料在x偏振光照射下，在3.95–12.15 μm范围内吸收率保持在80%以上，平均吸收率为90.4%。由于双向结构总厚度更大，y偏振光与器件的相互作用增强导致吸收略有增加，平均吸收消光比仍保持约16.5 dB。y偏振光的平均透射率在相同光谱范围内达到约94%。x偏振光透射率因对称化后复合光栅有效厚度增加而被进一步抑制。在整个工作波长范围内，双向结构表现出约42.6 dB的平均透射消光比，最小值仍高达约1800，展现了极高且稳定的透射偏振对比度。

五、总结与讨论

总之，研究人员提出了一种基于Ti-Ge-Si₃N₄-ZnSe-Au多层复合光栅的宽带双向偏振选择性超材料，在单一平台上集成了x偏振光的强吸收和y偏振光的高透射。该器件在3.95–12.15 μm的超宽中红外范围内工作，两种正交偏振态的平均吸收率和透射率均超过90%，并伴有显著的偏振消光。单向配置下平均吸收和透射消光比分别达到19.6 dB和40 dB，在双向操作下仍分别保持16.5 dB和42.6 dB，证明了稳健的宽带偏振选择性。x偏振光的宽带吸收源于多个表面等离激元共振和法布里-珀罗腔模式的协同激发与耦合，而y偏振光的高透射主要归因于金光栅的偏振滤波效应。该偏振选择性响应对衬底折射率变化也具有鲁棒性，突出了所提出设计的结构容忍度。通过在一个紧凑架构中结合宽带操作、双向功能和强偏振鉴别能力，这项工作为中红外光操控提供了一个多功能平台。