CN109358386A - 一种极化不敏感的多波长近红外吸收器 - Google Patents

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王红燕
汤振杰
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Abstract

本发明公开了一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，属于近红外超材料吸收器技术领域，解决只能在单个、两个或三个波长内电磁波的高吸收问题。本发明的吸收器由多个吸收器单元构成，所述的每个吸收器单元包括：衬底(1)、金膜(2)、金纳米腔(21)；其中，金膜(2)紧贴于衬底(1)的上表面；金属纳米腔(21)为“十”字形凹槽，位于结构单元的中心，从金膜(2)的上表面开始刻到金膜(2)内一定深度但没有刻透；所述的金属纳米腔(21)中填充电磁波材质。本发明提供的近红外吸收器具有结构简单，高吸收率，极化不敏感和宽入射角特性，并且有六个吸收峰值点。

Description

一种极化不敏感的多波长近红外吸收器
技术领域
本发明涉及红外技术领域，具体涉及一种极化不敏感的多波长超材料吸收器。
背景技术
在国防军事领域，为避免武器装备被敌方发现并攻击，提高军事装备的战术水平，雷达隐身技术也变得日益重要，受到世界各国的高度重视。吸波是雷达隐身技术的关键，但传统吸波材料存在体积庞大、笨重、性能低等缺点，在应用上受到很大的限制。基于超材料吸收器具有厚度薄、质量轻、吸收强等优点，在微型测辐射仪、热电子光探测器、红外隐身、辐射制冷等领域具有重要的应用前景。Landy等人首次在微波波段提出金属劈裂环/介质/金属线三明治结构，该结构实现了单个波长的完美吸收，随后，又提出改进型的三明治结构(金属结构/介质/金属薄膜)，由于其结构简单、吸收率高已被广泛研究。
目前，科研人员已经提出了多种超材料吸收器结构，但这些吸收器结构的工作波长主要局限在单个、双个或三个波长的电磁波吸收已不能满足***抗干扰的要求。因此，如何实现多个波长的电磁波吸收，增强对***的抗干扰性，是一个急需要解决的问题。本发明提出的超材料吸收器在1.0～2.5微米内实现了多大六个波长的完美吸收，而且还具有极化不敏感和宽入射角的特性，因此具有很高的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种工作于红外波段的具有极化不敏感特性的多波长超材料吸收器。
本发明的目的是这样实现的：该超材料吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元包括：衬底(1)、金膜(2)、金纳米腔(21)；其中，金膜(2)紧贴于衬底(1)的上表面；金属纳米腔(21)为“十”字形凹槽，位于结构单元的中心，从金膜(2)的上表面开始刻到金膜(2)内一定深度但没有刻透；所述的金属纳米腔(21)中填充无损耗电磁波材质。
每个吸收器单元的横剖面都为正方形，其边长为300～390纳米.
所述金膜的厚度t远大于红外波在金属中的穿透深度hskin，金纳米腔的深度h，从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于红外波的穿透深度，即T-h＞＞hskin。
所述金纳米腔(21)的宽度W为80～110纳米。
所述金纳米腔(21)的深度h为700～900纳米。
所述金纳米腔(21)的长度L为240～290纳米。
所述金纳米腔(21)中填充电磁波材质为砷化镓、硅、磷化铟或磷化镓。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.超材料吸收器采用金属纳米凹槽中填充电磁波材质，结构简单，紧凑，新颖，完美对称，易于实现，还可以使吸收器具有极化不敏感和宽入射角的特性；
2.本发明提出的超材料吸收器，可以在1.0～2.5微米的波长范围内实现六个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收；
3.本发明提出的超材料吸收器结构所用材料皆为常规材料，易于实现。
附图说明
图1：本发明的三维结构示意图。
图2：图1的主视图。
图3：图1的仰视图。
图4：本发明对垂直入射吸收率仿真结果图。
图5：本发明在不同极化角度下的吸收谱图。
图6：本发明在TM波情况下，不同斜入射角下的吸收率谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明多波长超材料吸收器为无限周期结构，包括连续设置的多个吸收单元。
如图1、2、3所示，所述的吸收单元包括：衬底(1)、金膜(2)、金纳米腔(21)；其中，金膜(2)紧贴于衬底(1)的上表面；金纳米腔(21)为“十”字形凹槽，位于结构单元的中心，从金膜(2)的上表面开始刻到金膜(2)内一定深度但没有刻透；所述的金属纳米腔(21)中填充无损耗电磁波材质。
作为实施例，每个吸收单元的结构尺寸参数如下：晶格周期P＝310纳米；金膜(1)的厚度t＝1000纳米；金纳米腔(21)的宽度W、长度L、深度h分别为100、270、800纳米；金纳米腔(21)中所填充的材质为砷化镓。
本实施例所述的多波长超材料吸收器的吸收率定义为A＝1-R-T，式中R为反射率，T为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸收单元中的金纳米腔(21)底层为全金膜，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为A＝1-R。
本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图4所示，该仿真结果由FDTDSolutions计算得到。从图中可以看到，在1.0～2.5微米内有六个明显的吸收峰。这六个吸收峰在1.233微米，1.372微米，1.566微米，1.824微米，2.124微米、2.355微米处的吸收率分别为89.38％，99.92％，98.06％，95.91％，96.81％，99.70％，并且平均吸收率高达96.63％。这说明本发明提出的吸收器在六个波长上达到了近乎完美的吸收。
本实施例在不同极化角度下的吸收谱图如图5所示。所述极化角度被定义为电场矢量与竖直方向的夹角，电磁波波矢量仍保持垂直于吸波体吸收面不变。从图中可以看出本发明提出的吸收器在不同极化角度下具有相同的吸收响应曲线，这说明本发明提出的吸收器表现出了良好的极化不敏感特性。
本实施例在TM波情况下，不同斜入射角下吸收率仿真结果图如图6所示。从图中可以看出，当入射角为60度时，各个吸收峰依然可以保持高吸收率。这说明本发明提出的吸收器具有宽入射角特性。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：该吸收器由多个吸收器单元构成，所述的每个吸收器单元包括：衬底(1)、金膜(2)、金纳米腔(21)；其中，金膜(2)紧贴于衬底(1)的上表面；金纳米腔(21)为“十”字形凹槽，位于结构单元的中心，从金膜(2)的上表面开始刻到金膜(2)内一定深度但没有刻透，所述一定深度是指从金纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜厚度仍能远大于电磁波的穿透深度；所述的金纳米腔(21)中填充电磁波材质。
2.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述衬底(1)为高阻硅、聚酰亚胺、砷化镓或石英晶体中的一种，厚度为50～1000微米。
3.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述金膜的厚度t远大于电磁波在金属中的穿透深度hskin，金纳米腔的深度h，从金属纳米腔的底部到衬底的上表面剩余的金膜的厚度仍能远大于电磁波的穿透深度，即t-h＞＞hskin。
4.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长P为300～390纳米。
5.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述金纳米腔(21)的深度h为700～900纳米。
6.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述金纳米腔(21)的宽度W为80～110纳米。
7.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述金纳米腔(21)的长度L为240～290纳米。
8.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述的金纳米腔(21)中填充电磁波材质为砷化镓、硅、磷化铟或磷化镓。
9.根据权利要求1所述的一种极化不敏感的多波长近红外吸收器，其特征在于：所述吸波单元的阵列个数不少于10×10个。
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