Author Affiliations
Abstract
1 School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, Shanghai 200093, China
3 School of Electric and Information, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China
In this Letter, we propose a broadband near-infrared (NIR) absorber based on the phase transition material VO2. By designing different arrangements of the VO2 square lattice at high and low temperatures on fused silica substrates, the absorption rate reaches more than 90% in the entire 1.4–2.4 μm range. Using a finite-difference time-domain simulation method and thermal field analysis, the results prove that the absorber is polarization-independent and has wide-angle absorption for incident angles of 0°–70°. The proposed absorber has a smoother absorption curve and is superior in performance, and it has many application prospects in remote sensing geology.
metamaterial absorber broadband polarization-independence thermal analysis Chinese Optics Letters
2020, 18(5): 052601
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力大学电子与信息工程学院, 上海 200090
4 上海健康医学院医学影像学院, 上海 201318
基于VO2的热致相变特性,仿真设计出了一种W/VO2方形纳米柱阵列可调中红外宽频吸收器,通过时域有限差分法分析了结构参数对吸收性能和结构内电磁场强度分布的影响,以及吸收器在不同偏振态和入射角度下的吸收特性。结果表明:在最佳的结构参数下,当VO2未发生相变时,入射到吸收器的红外光转变为热而消耗掉,在3~5 μm谱段的平均吸收率高达96.2%;当VO2发生相变而转变为金属相时,吸收器表现出强反射,抑制吸收,高低温下的平均吸收率差可达74.1%。该吸收器的吸收率受入射光的影响较小,具有广角吸收特性,有望在红外智能光电领域得到应用。
光学器件 可调控吸收器 时域有限差分 宽波段 VO2
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
为了实现对3~5 μm中红外光的完美吸收, 仿真设计了一种基于W/VO2周期性纳米盘阵列的可调中红外宽频吸收器, 利用时域有限差分法模拟计算了结构参数对吸收器性能的影响.在最佳结构参数条件下, 吸收器表现出偏振无关和广角吸收的特性, 在3.1~3.6 μm范围内吸收率达99%以上, 峰值吸收率为99.99%.低温时入射光的磁场被束缚在各单元VO2介质层的中心并得到完美吸收; 高温时VO2发生相变表现为金属相, 抑制吸收, 高低温的吸收率差值可达78.8%.该吸收器有效弥补了传统吸收器吸收频带窄、吸收率不可调的缺陷, 对中红外光电器件的应用有参考价值.
超材料 宽频吸收器 中红外 表面等离子体共振 时域有限差分 偏振无关 广角吸收 Metamaterial Broadband absorber Mid-infrared Surface plasmon resonance Finite-Difference Time-Domain Polarization-independent Wide-angle absorption
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院电子与信息工程学院, 上海 200090
4 上海健康医学院医学影像学院, 上海 201318
基于VO2/Si3N4/Al结构设计了一种发射率可调控的智能辐射器 (SRD)。通过薄膜特征矩阵理论SRD的光学特性进行分析, 结果表明VO2的厚度决定了SRD的辐射能力, 其调控光谱范围与介质层Si3N4的厚度密切相关, 优化后的SRD发射率调控范围为0.38。采用MgF2/Si3N4双层减反膜进一步优化SRD, 使其低温(20 ℃)和高温(100 ℃)发射率分别达到0.30和0.91, 调控范围扩大至0.61。利用有限时域差分法分析了有无减反膜时SRD的辐射场分布, 结果表明减反膜可以提高SRD的温度调控效率, 增强空间复杂环境适应能力。设计思路对高性能SRD的制备和航天器热控系统的轻量化具有重要意义。
薄膜 智能辐射器 发射率 二氧化钒 减反膜
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090
4 上海健康医学院医学影像学院, 上海 201318
设计了一种Au/VO2周期性方形孔洞阵列结构的红外吸收器, 利用时域有限差分法研究了吸收器的结构参数对吸收光谱的影响, 优选出VO2和Au膜层厚度分别为140 nm和80 nm, 孔洞边长和阵列周期分别为1.1 μm和1.2 μm时, 吸收可调控特性最为明显, 在2.3 μm处其高低温的吸收率差值可达80.3%.理论模拟计算了光以不同偏振、入射角入射时的吸收, 结果表明, 正入射时吸收器是偏振无关的; 斜入射时吸收器具有广角吸收的特点, 与TM偏振相比TE偏振下吸收器具有更强的角度依赖性.低温时吸收器中的电磁场呈高度局域化分布, 表现为强的吸收; 而高温时吸收器中的电磁场分布在吸收器表面, 吸收被抑制.所设计的吸收器吸收效率高, 吸收强度可以调控, 可应用于新型可调控智能光电器件.
吸收器 热致相变 表面等离子体共振 时域有限差分 广角 偏振无关 absorber thermochromism surface plasmon resonance finite difference time domain wide angle polarization-independent
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院 计算机与信息工程学院, 上海 200090
为了得到相变温度低且性能优越的智能窗光学材料,基于时域有限差分法模拟计算了不同结构的VO2纳米周期点阵相变前后的光学特性,优选出最佳的VO2纳米周期点阵结构.采用直流磁控溅射和后退火工艺在玻璃衬底上制备VO2薄膜,再利用掩膜光刻的方法制备VO2纳米周期点阵结构,测试其组分结构,反射和透过率曲线.结果表明,填充比为0.74的圆形纳米周期点阵的相变温度有效降低了约25 ℃,在波长为1700 nm处的透过率改变量达到39 %,透过率整体高于VO2薄膜,呈现出良好的相变光学特性,说明通过调控VO2纳米周期点阵的结构可以有效提升材料的光学特性.
纳米周期点阵 光学特性 热致相变 VO2 VO2 nano periodic array optical property thermochromism
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室,上海 200093
3 上海电力学院 电子与信息工程学院,上海 200090
基于VO2薄膜的热致相变特性,利用修正的Sellmeier色散模型和有限时域差分法计算了Au/VO2双层薄膜纳米点阵的透过率和反射率,发现其存在反转效应,且反转效应受点阵间距、膜层厚度和颗粒半径等参量调控.随着颗粒间距的增大,透射谱中谐振峰的位置发生红移,透过率反转差值增加,但间距进一步增大时,反转效应消失.随着Au/VO2膜层厚度的减小,透过率明显增大,透过率反转差值也随之改变.随着颗粒尺寸的增大,相变前后的透过率差值逐渐增大,但当颗粒尺寸进一步增大时,透过率反转效应不明显.对点阵间距、膜层厚度和颗粒半径的优化结果表明, Au/VO2双层薄膜纳米点阵间距为9.8 nm、VO2层厚度和Au层厚度均为110 nm、颗粒半径为58 nm时,反转效应最明显,其相对透过率反转差值可达91%,其相对反射率反转差值可达90%.
薄膜 纳米点阵 有限时域差分 反转效应 热致相变 优化 Film Nano array Finite difference time domain Au/VO2 Au/VO2 Reversal effect Thermochromism Optimization 光子学报
2015, 44(11): 1131001
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院, 上海 200090
为了实现光信号的离轴旋转连接，设计了一种新型的离轴旋转光纤传输系统。基于高斯光束传播理论，分析了大口径光纤准直器对高斯光束的扩束准直作用，利用ZEMAX 对准直器的结构和输出光束特性进行了优化。对离轴旋转光纤传输系统进行了实验测量，结果表明大口径光纤准直器输出光束在50 mm 的工作距离处能量分布满足高斯型，其束腰半径达到18 mm，远场发散角仅为5.48×10-2 mrad，在1.25 Gb/s 的信号传输速率及80 r/min 的转速下，系统的最大连接损耗为23.28 dB，整体性能满足了旋转部件之间稳定传输高速光信号的要求。
光通信 离轴光纤旋转连接器 光纤准直器 高斯光束 计算机辅助光学设计
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院, 上海 200090
为了改善980nm半导体激光器的输出光谱特性, 采用传输矩阵分析法推导了双布喇格光纤光栅谐振腔的传输表达式, 对布喇格光纤光栅长度和谐振腔腔长对输出光谱的影响进行模拟仿真, 结果表明布喇格光纤光栅长度对输出光谱的影响大于谐振腔腔长对输出光谱的影响, 加长布喇格光纤光栅长度能压缩输出光谱线宽.在980 nm半导体激光器尾纤上写入不同布喇格光纤光栅长度的双布喇格光纤光栅谐振腔, 验证了引入双布喇格光纤光栅谐振腔在压缩980 nm半导体激光器输出光谱线宽的同时改善了其输出光谱的稳定性.当环境温度在0-75℃范围内变化时, 980 nm半导体激光器输出中心波长仅变化0.06 nm.
光通信 激光器 光纤光栅 谐振腔 光谱 稳定性 半峰值全宽度 Optical communication Laser Fiber Bragg grating Resonant cavity Spectrum Stability Full width at half maximum
1 上海理工大学，上海200093
2 上海市现代光学系统重点实验室，上海200093
3 上海电力学院，上海200090
在掺氟的SnO2(FTO)导电玻璃衬底上采用直流磁控溅射的方法室温沉积纯钒金属薄膜，再在退火炉中经后退火工艺制备VO2/FTO复合热致变色薄膜，并对复合薄膜的结构及其光学特性进行研究.结果表明，导电玻璃上的FTO并没有改变VO2择优取向生长，但明显改变了VO2薄膜的表面形貌特征.与相同工艺条件下在玻璃衬底上制备的VO2薄膜相比，VO2/FTO复合薄膜的相变温度降低约18℃，热滞回线温宽收窄约4℃，相变前后的红外透过率分别约为42%和21%.说明复合薄膜既可明显降低相变温度和热滞宽度，又可增强VO2薄膜的红外调控能力.
复合薄膜 热致变色 光学特性 VO2 VO2 FTO FTO composite films thermochromism optical properties
