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改善纳米光学器件的方向性

日期:2018-11-26

来自荷兰研究所AMOLF、加拿大西方大学和美国德克萨斯大学的研究小组最近展示了使用算法设计来创建一种新型的纳米光子结构。这对光学量子计算和光伏发电的研究人员来说是个好消息,因为这种结构极大地改善了纳米尺度发光体(发光二极管或单光子源)和吸收体(太阳能电池或光电探测器)的方向性。

方向性描述了在一个特定方向上的光发射与在所有其他方向上的总发光量的比率。发射器通常具有高方向性,因此纳米级光源产生的所有光子都可以在其他地方收集。

此外,改善方向性对于纳米级光伏器件也是有益的,将太阳能电池中的有源吸收材料和太阳耦合可以显著改善电压。这可以通过类比来理解,当用阳光加热材料时,它仅与太阳交换能量时会变暖,而不是与相对较冷的周围环境交换。

纳米尺度的方向性

在如此小的长度尺度下,光表现为粒子和波,使具有亚波长特征的结构的设计复杂化,光学元件的性能极其有限。使用演化算法设计结构解决了这个问题,全波光学模拟完全决定纳米光子器件的几何形状。研究团队使用演化算法,设计并构建了性能改善的3D介质纳米光子透镜结构,如图1所示,借助于基于干涉的天线控制和透镜的宽带操作。这中3D纳米光子透镜的方向性值超过诸如球面透镜的经典结构的方向性值约三倍。


图1 3D纳米光子透镜的设计和优化

为了证明这些结构的可行性,通过实验制造了概念验证装置。该装置使用飞秒脉冲激光技术在GaAs纳米线上打印3D纳米透镜结构,如图2所示。这种GaAs纳米线常用于光伏器件中,同时由于高量子效率(每个光子的光子数量)提供了比较方便的测试系统。通过修饰发射器周围的介质环境,这些纳米透镜可获得对点源的方向性为101,对有限源纳米线发射器的方向性为67,相对于在200nm波长范围内具有几乎恒定性能的传统球面透镜来说,方向性提高了2倍。


图2  制备的3D纳米光子透镜结构

虽然纳米光子透镜显著改善了纳米线发射器的方向性,但观察到的性能仍然低于理论计算设计所预测的结果。然而,通过在发射中心和透镜中心之间进入小的偏移,新的模拟能够再现观察行为。这种偏移可能发生在实验样品中,因为纳米线从其一端附近的小区域开始发射。对准该发射位置的难度被证明是观察到的性能中的最大限制,其次是该发射仍然来自有限区域。这表明移动更多受限制的发射器或吸收器结构可以很容易找到这两个性能降低的来源,并且提供更多改善方法而无需改变透镜或制造技术。

该研究成果发表在《Nature Communications》(2018)。