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《自然·纳米技术》:涂上薄薄一层光学涂层光伏

作者:威尼斯人app 发布时间:2021-02-11 09:39 点击:

  一个多世纪以来,光学涂层一直被用来更好地反射(或是透射)来自透镜和其他设备的特定波长的光,是几乎每一种光学仪器不可或缺的组成部分。例如,有色眼镜上的涂层能反射,或“阻挡”有害的蓝光和紫外线。但直到现在,能够同时反射和传输相同波长或颜色的光学涂层仍然是一个挑战。

  在光子学中,当两个具有不同阻尼率的振荡器弱耦合时,会发生法诺(Fano)共振。这是一种对称线形的散射共振现象。背景和共振散射之间的干涉产生一种非对称的线形。与范诺共振相关的陡峭色散及其相对较高的质量因子在激光、结构着色、慢光器件、光转换和双稳态器件、生物传感、超灵敏光谱学、非线性光学隔离器和图像处理等方面极具应用潜力。然而,在纳米光子器件中证明Fano共振需要耗时且昂贵的纳米光刻技术(电子束光刻或聚焦离子束磨铣等),大大限制了它们的用途。

  近日,美国罗切斯特大学Mohamed ElKabbash、郭春雷等和凯斯西储大学Michael Hinczewski、Giuseppe Strangi等人合作,本文介绍了一种Fano共振光学涂层(Fano-resonant optical coating,FROC)。研究人员将Fano共振的耦合力学振荡器描述扩展到薄膜纳米腔,并通过厚度约为300 nm的Fano共振光学涂层获得了类似于低-折射率-对比度介质布拉格镜的窄带反射,并实现了对反射彩虹色的控制。此外,与传统光学涂层不同,半透明的Fano共振光学涂层可以像分束滤波器一样传输和反射相同的颜色。最后,Fano共振光学涂层可以在光谱上和空间上分离太阳光谱的热波段和光伏波段,解决了光伏发电中无法按需调度太阳能这一可调度性问题。基于该涂层的太阳能热装置的发电量高达50%,而光伏电池的温度仅为30℃,大大提升了光伏电池的寿命(约6倍)。该研究以“Fano-resonant ultrathin film optical coatings”发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

  最近,成本低廉的薄膜光学吸收器引起了人们的注意,它们可以替代复杂的、光刻强度高的纳米谐振器、超材料和超表面,以控制超出材料的固有吸收或发射的光吸收和热发射。沉积在高反射金属衬底上的具有强光学损耗的超薄介质膜或沉积在吸收衬底上的无损介质可以组成一种简单的宽波段的光吸收腔。一个金属-介质-金属(MDM)腔可以组成一种简单的窄波段光吸收腔,可用作结构着色和气体传感的吸收过滤器。当宽波段的光吸收腔与窄波段的光吸收腔弱耦合时,光谱重叠腔之间的共振相消干涉会产生非对称的Fano共振吸收和反射线。在本研究中,研究人员将一层15纳米厚的锗薄膜涂在金属表面,创造出一种能够吸收宽波段波长的表面。同时将其与一个支持窄带共振的腔相结合。耦合腔表现出能够反射窄带光的Fano共振。

  通讯作者之一,罗切斯特光学研究所教授郭春雷表示,反射光的窄波段对波长的精确控制非常重要。传统涂层中唯一能做到这一点的是多层介质镜,这种技术要厚得多,且有很强的角度依赖性,制作成本也高得多。因此,文中的光学涂层可以成为一种低成本、高性能的替代品。研究人员展示了Fano共振光学涂层在分离太阳光谱中的热波段和光伏波段的能力,大大提高了使用混合热电发电设备的效率。由于只将太阳光谱中有用的波段引导到光伏电池上,可以防止电池过热,从而使得光伏电池的寿命提升了6倍。而光谱的其余部分则被吸收为热能,这些热能可以被其他方式利用,包括夜间的能量储存、发电、太阳能驱动的水卫生设施,或加热水源等。

  当激光刚被发明出来时,人们也不知道激光的应用方向。这种新型的光学涂层也是如此还需要一点时间来进一步研究并提出更多的应用。郭春雷的高强度飞秒激光实验室,因使用飞秒激光器在金属表面蚀刻独特属性的开创性工作而闻名。Fano共振光学涂层项目源于对不涉及激光蚀刻创造独特表面的探索。

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