超薄有损耗薄膜结构的宽带超吸光特性研究

Broadband super absorbers have a very wide range of applications in solar energy harvesting, stray light suppression, thermo photovoltaic, photo detection, etc. In this project we propose to design theoretically a four-layer film structures (anti reflection layer 1/ultrathin lossy layer 2/ultrathin lossy layer 3/metal reflection layer 4/glass substrate) for angle-insensitive broadband super absorption by using ultrathin (thickness << λ/4n, λ: working wavelength, n: refractive index) lossy (large extinction coefficient) optical films. We would investigate the mechanisms of broadband super absorption in the ultrathin and simple film structures by analyzing the influence of films especially ultrathin lossy films on the phase shift and electrical field strength. Further, we would carry out the film deposition processes to achieve experimentally the film structures with angle-insensitive broadband super absorption by controlling the refractive index and thickness of ultrathin lossy films. This project is promising to provide a technical route for realizing large-area and low-cost super absorption films.

宽带超吸光材料在太阳能的俘获、光学系统中杂散光的消除、光热发电以及光探测等众多方面都有着广泛的应用前景。本项目提出利用超薄（厚度远小于λ/4n，λ为工作波长，n为薄膜的折射率）且具有损耗特性（消光系数k较大）的光学薄膜，通过匹配其复折射率及厚度，理论上设计出具有对入射光角度不敏感的宽波段超吸光特性的4层薄膜结构：减反射层1/超薄（~10nm）有损耗膜层2/超薄（~10nm）有损耗膜层3/金属反射层4/玻璃基底。通过分析薄膜特别是2层超薄有损耗薄膜对光的相位和电场强度的调控作用，探索超薄且简单的薄膜结构在宽波段范围内超吸收的物理机制。进一步通过镀膜工艺调控有损耗薄膜的复折射率和厚度，在实验上获得具有对入射光角度不敏感的宽波段超吸光特性的薄膜结构，为生产大面积低成本超吸收薄膜提供一种可行的技术路线。

宽波段超吸光材料在太阳能的俘获、光学系统中杂散光的消除、光热发电以及光探测等众多方面都有着广泛的应用前景。为了获得宽带超吸光特性，研究人员通常利用曝光/刻蚀等手段微结构化材料表面，或者利用化学油漆黑化材料表面来减少表面的反射以增加材料的吸收。本项目提出基于超薄有损耗薄膜可以获得对角度不敏感的宽波段超吸收薄膜结构，它不仅能够实现宽波段对入射光角度不敏感的超吸收，还克服了微结构化材料表面所需要的高成本以及化学黑漆的不稳定性等缺点，因此是一种非常新颖且具有广阔应用前景的光学薄膜结构。本项目通过研究几种有损耗薄膜和金属薄膜的光学特性，选取合适的薄膜进行匹配组合成多层薄膜结构，基于传输矩阵法和时域有限差分法设计出了400nm-800nm宽波段范围内峰值吸收率高于99.8%、平均吸收率高于99.5%且对入射光角度不敏感的超吸薄膜结构，通过分析光在薄膜结构内的相位、光学导纳等特性的变化，澄清了其在宽波段范围内超吸收的物理机制。进一步通过调控镀膜工艺在实验上获得400nm-800nm宽波段范围内峰值吸收率高于99.4%、平均吸收率高于98.5%的超吸收薄膜结构，并且在大角度入射下，仍能保持96.5%的高吸收率。本项目为实现大面积低成本超吸收薄膜制备提供一种可行的技术路线。