[论文解读] Genetic-algorithm-aided ultra-broadband perfect absorbers using plasmonic metamaterials

Mayer, Alexandre, Bi, Hai+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 28

一句话总结

本研究采用遗传算法优化基于周期性截棱锥结构、具有交替金属/介质层的超宽带等离子体超材料吸收体。通过在 Ni、Ti、Cr 和 W 与 PMMA 介质组合下探索超过 10^17 种配置，识别出在 420–1600 nm 波段实现 >99% 积分吸收率的设计，表现出高度鲁棒性与低角度依赖性，同时表明金、银等贵金属在此应用中并未表现出最优性能。

ABSTRACT

Complete absorption of electromagnetic waves is paramount in today's applications, ranging from photovoltaics to cross-talk prevention into sensitive devices. In this context, we use a genetic algorithm (GA) strategy to optimize absorption properties of periodic arrays of truncated square-based pyramids made of alternating stacks of metal/dielectric layers. We target ultra-broadband quasi-perfect absorption of normally incident electromagnetic radiations in the visible and near-infrared ranges (wavelength comprised between 420 and 1600 nm). We compare the results one can obtain by considering one, two or three stacks of either Ni, Ti, Al, Cr, Ag, Cu, Au or W for the metal, and poly(methyl methacrylate) (PMMA) for the dielectric. More than 10^17 configurations of geometrical parameters are explored and reduced to a few optimal ones. This extensive study shows that Ni/PMMA, Ti/PMMA, Cr/PMMA and W/PMMA provide high-quality solutions with an integrated absorptance higher than 99% over the considered wavelength range, when considering realistic implementation of these ultra-broadband perfect electromagnetic absorbers. Robustness of optimal solutions with respect to geometrical parameters is investigated and local absorption maps are provided. Moreover, we confirm that these optimal solutions maintain quasi-perfect broadband absorption properties over a broad angular range when changing the inclination of the incident radiation. The study also reveals that noble metals (Au, Ag, Cu) do not provide the highest performance for the present application.

研究动机与目标

• 开发适用于可见光至近红外波段的超宽带完美电磁吸收体（PEAs）。
• 识别在 420–1600 nm 波段实现准完美吸收的最优金属/介质堆叠结构配置。
• 评估这些吸收体在不同几何参数和入射角下的性能与鲁棒性。
• 确定贵金属（Au、Ag、Cu）是否在宽带吸收性能上优于其他金属。

提出的方法

• 采用遗传算法（GA）优化 13.9 万亿种几何变量组合：金属/介质层的横向尺寸（L1、L2、L3）、厚度（t1、t2、t3）及周期性（P）。
• GA 使用格雷码编码变量，采用基于排名的选择策略，结合二进制与实值交叉操作，并采用自适应突变，包含各向同性突变选项。
• 适应度评估基于 420–1600 nm 波段的吸收率（A），并通过在最优个体附近使用二次逼近方法加速收敛。
• 采用有限元方法结合严格耦合波分析（RCWA）计算吸收率，通过 21×21 平面波网格验证数值稳定性。
• 通过测试参数变化的敏感性，并对比 11×11 与 21×21 平面波数量下的结果，评估鲁棒性。
• 通过场强分布图与角度响应分析，评估最优吸收体的场局域化与角度不敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 420–1600 nm 波段，哪些金属/介质组合在截棱锥超材料结构中实现最高宽带吸收率？
• RQ2 贵金属（Au、Ag、Cu）在实现超宽带吸收方面与基体金属（Ni、Ti、Cr、W）相比表现如何？
• RQ3 最优吸收体设计在几何参数变化下保持鲁棒性的程度如何？
• RQ4 吸收率如何随入射角变化？准完美吸收的角带宽是多少？
• RQ5 能否通过平面波数量敏感性评估数值收敛性与解的可靠性？

主要发现

• Ni/PMMA、Ti/PMMA、Cr/PMMA 和 W/PMMA 结构在 420–1600 nm 范围内实现积分吸收率超过 99%。
• 最优解在入射角高达 60° 时仍保持吸收率超过 99%，表现出强角度鲁棒性。
• 贵金属如 Au、Ag 和 Cu 并未实现最佳性能；相反，Ni、Ti、Cr 和 W 提供了更优的宽带吸收性能。
• 通过 21×21 平面波验证，GA 识别的解具有数值稳定性，鲁棒设计在 11×11 与 21×21 结果间偏差极小。
• 对参数变化敏感的解在更高平面波数量下表现出显著偏差，证实其不稳定性，支持其被剔除。
• 局域吸收图显示在金属/介质界面处存在强场局域化，表明局域表面等离子体激元的激发是主导吸收机制。