CN115061227A - 一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，涉及超材料电磁波吸收器技术领域，包括单元结构，所述单元结构设有n组，n组的所述单元结构组成周期性的超材料电磁波吸收器；所述单元结构包括金属光栅层和MIM结构，所述金属光栅层设于MIM结构上方的中心位置，通过上述方式，本发明在TM电磁波入射下在8‑14um波段具有高达平均95.7％的吸收率，应用于红外探测器可以大幅提高在长波红外探测的探测能力，在TE电磁波入射下吸收率低于平均1.7％，对TM、TE两种偏振电磁波的选择性吸收性能，使其可以应用在8‑14um波段的偏振光探测，通过引入强度维度外的偏振维度，可以有效增强不同目标之间的对比度，适用于目标之间温差较小和偏振差异明显的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及超材料电磁波吸收器技术领域，具体涉及一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器。
背景技术
电磁波的8-14μm波段是红外波段的一个重要大气透明窗口，可用于红外探测、红外成像等领域，因此提高探测器在8-14μm波段的吸收率具有重要的实际应用价值。
在一些需要探测偏振光的应用场景中，我们需要设计选择性吸收沿某一方向偏振的电磁波的超材料吸收器。这种偏振选择吸收器应当满足对某一偏振方向电磁波尽可能大的吸收而对与其正交的偏振方向的电磁波尽可能小的吸收。这种偏振选择电磁波吸收器在人工红外伪装目标识别、液面反射光检测等偏振探测领域有着重要的实际应用价值。
现有超材料电磁波吸收器设计一般将一种共振结构设计成不同的尺寸，使共振峰分布在不同位置，用这种方法可以拓宽吸收带宽；也可以设计多种不同类型的共振结构，实现不同共振类型的共振峰位置的叠加，从而拓宽吸收带宽。通过上述两种思路设计出来超材料吸收器可以实现超宽带吸收，但是存在结构复杂，制造难度大的缺点。同时绝大多数现有超材料吸收器以实现无偏振选择吸收为设计目标，而应用于偏振吸收场景的吸收器则未受到较多关注，现有超材料吸收器在相互垂直的2个偏振方向上的吸收性能没有十分巨大的差异。偏振吸收应用场景需要满足对某一偏振方向电磁波尽可能大的吸收而对与其正交的偏振方向的电磁波尽可能小的吸收。现有设计未充分考虑此种应用场景的需求。
基于此，本发明设计了一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，包括单元结构，所述单元结构设有n组，n组的所述单元结构组成周期性的超材料电磁波吸收器；
所述单元结构包括金属光栅层和MIM结构，所述金属光栅层设于MIM结构上方的中心位置。
更进一步的，n组的所述单元结构组成超材料电磁波吸收器的周期为2600nm。
更进一步的，所述金属光栅层的材质为铝。
更进一步的，所述金属光栅层的厚度为2200nm，宽度为1560nm。
更进一步的，所述MIM结构包括MIM结构上金属钛层、MIM结构中间介质硫化锌层和MIM结构底金属钛层，所述MIM结构上金属钛层设于MIM结构中间介质硫化锌层上方，所述MIM结构中间介质硫化锌层设于MIM结构底金属钛层上方。
更进一步的，所述MIM结构上金属钛层的厚度5nm。
更进一步的，所述MIM结构中间介质硫化锌层的厚度350nm。
更进一步的，所述MIM结构底金属钛层的厚度70nm。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明在TM电磁波入射下在8-14um波段具有高达平均95.7％的吸收率，应用于红外探测器可以大幅提高在长波红外探测的探测能力，在TE电磁波入射下吸收率低于平均1.7％，对TM、TE两种偏振电磁波的选择性吸收性能，使其可以应用在8-14um波段的偏振光探测，通过引入强度维度外的偏振维度，可以有效增强不同目标之间的对比度，适用于目标之间温差较小和偏振差异明显的应用场景，适应于液面反射红外探测、人工红外伪装目标识别等典型应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的单元结构示意图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明在TM、TE两种不同偏振光入射下的吸收曲线图；
图4为本发明在TM入射下，不同入射角度的吸收光谱图；
图5为本发明在TE入射下，不同入射角度的吸收光谱图。
图中的标号分别代表：
1、金属光栅层；2、MIM结构上金属钛层；3、MIM结构中间介质硫化锌层；4、MIM结构底金属钛层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1和2所示，一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，包括单元结构(如图1所示)，所述单元结构设有n组，n组的所述单元结构组成周期性的超材料电磁波吸收器(如图2所示)；
n组的所述单元结构组成超材料电磁波吸收器的周期为2600nm；
单元结构包括金属光栅层1和MIM结构，金属光栅层1设于MIM结构上方的中心位置。
金属光栅层1的材质为铝。
金属光栅层1的厚度为2200nm，宽度为1560nm。
MIM结构包括MIM结构上金属钛层2、MIM结构中间介质硫化锌层3和MIM结构底金属钛层4，MIM结构上金属钛层2设于MIM结构中间介质硫化锌层3上方，MIM结构中间介质硫化锌层3设于MIM结构底金属钛层4上方。
MIM结构上金属钛层2的厚度5nm。
MIM结构中间介质硫化锌层3的厚度350nm。
MIM结构底金属钛层4的厚度70nm。
在阻抗匹配理论及其他电磁学理论的指导下，为实现在红外偏振探测、红外偏振成像应用场景中对某一偏振方向电磁波尽可能大的吸收而对与其正交的偏振方向的电磁波尽可能小的吸收的需求。选择采用在MIM结构上方添加金属光栅的超材料电磁波吸收器结构，通过电磁场数值仿真软件在合适的范围内进行结构的几何参数扫描，确定结构金属光栅层1、MIM结构上金属钛层2、MIM结构中间介质硫化锌层3和MIM结构底金属钛层4的材质和几何尺寸。
超材料与电磁波相互作用时会发生反射、透射和吸收，并且三者之和等于入射的电磁波的总能量，即A＝1-R-T，A是超材料电磁波吸收器的吸收率，R是反射率，T是透射率。因此通常基于MIM结构的吸收器的设计中底层金属厚度远大于其自身趋肤深度，所以透射率约等于0，因此器件的吸收率表示为A＝1-R。
将整个超材料吸收器看作是均一介质的等效阻抗Z可以表示为：
S11为仿真得到的反射系数的实部；S21为仿真得到的透射系数的虚部。
自由空间的阻抗Z0可以表示为：
ε是自由空间的介电常数，μ是自由空间的磁导率；
根据菲涅耳公式，反射系数R可表示为：
调控所设计结构的几何参数使得Z＝Z0时，此时超材料吸收器的反射系数为0，从而可以实现最大吸收，确定在周期2600nm、金属光栅宽度1560nm，从上至下各层厚度在2200nm、5nm、350nm、70nm时能获得最好的偏振选择性吸收性能，确定金属光栅层1、MIM结构上金属钛层2、MIM结构中间介质硫化锌层3和MIM结构底金属钛层4几何尺寸。
同时，确定金属光栅层1的材质为铝，MIM结构上金属钛层2和MIM结构底金属钛层4的材质为钛，MIM结构中间介质硫化锌层3的材质为硫化锌，单元结构的金属光栅层1实现对入射光的偏振选择性吸收的需求，MIM结构实现对入射光的吸收尽可能大的需求。MIM结构中的MIM结构上金属钛层2和MIM结构底金属钛层4金属选用钛，目的是利用钛的高损耗性尽可能大的吸收入射电磁波，同时可以减小结构的厚度，MIM结构中的MIM结构中间介质硫化锌层3选用硫化锌，硫化锌是一种高折射率介质，增加光与超材料电磁波吸收器相互作用的时间，同时硫化锌是一种无损耗介质，有利于MIM结构上下两个介质-金属的界面上激发的表面等离子体共振相消干涉形成谐振腔共振模式。金属光栅层1选用铝，铝是一种高电导率金属，铝金属光栅可以较大程度的透过TM入射电磁波同时最大程度的反射TE入射电磁波，为实现偏振选择性吸收提供了可能。TM偏振光入射下，MIM结构中产生的谐振腔共振模式和金属光栅中产生的表面等离子体共振模式和局域表面等离子体共振模式发生共振耦合，可以拓宽吸收带宽同时实现更高吸收。
图3是本发明对TM、TE偏振电磁波的吸收率曲线，在8-14um的长波红外波段对TM偏振电磁波能够实现平均大于95.7％吸收率，对TE偏振电磁波的平均吸收率平均小于1.7％，证明了我们设计的超材料偏振吸收器具有宽带超高吸收性能同时具有优异的偏振选择性吸收性能。
图4是电磁波以TM极化方式入射时在不同入射角度的吸收率。
图5是电磁波以TE极化方式入射时在不同入射角度的吸收率。
图4、图5可以证明在大范围入射角度下本发明在8-14um波段依然具有优异的选择性偏振吸收性能。超材料吸收器具有超宽带、偏振选择、大角度吸收的特点，因此可以将其应用在红外偏振探测、红外偏振成像等领域。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，包括单元结构，其特征在于：所述单元结构设有n组，n组的所述单元结构组成周期性的超材料电磁波吸收器；
所述单元结构包括金属光栅层(1)和MIM结构，所述金属光栅层(1)设于MIM结构上方的中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，n组的所述单元结构组成超材料电磁波吸收器的周期为2600nm。
3.根据权利要求2所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述金属光栅层(1)的材质为铝。
4.根据权利要求3所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述金属光栅层(1)的厚度为2200nm，宽度为1560nm。
5.根据权利要求4所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述MIM结构包括MIM结构上金属钛层(2)、MIM结构中间介质硫化锌层(3)和MIM结构底金属钛层(4)，所述MIM结构上金属钛层(2)设于MIM结构中间介质硫化锌层(3)上方，所述MIM结构中间介质硫化锌层(3)设于MIM结构底金属钛层(4)上方。
6.根据权利要求5所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述MIM结构上金属钛层(2)的厚度5nm。
7.根据权利要求6所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述MIM结构中间介质硫化锌层(3)的厚度350nm。
8.根据权利要求7所述的一种在长波红外波段具有偏振选择的超材料电磁波吸收器，其特征在于，所述MIM结构底金属钛层(4)的厚度70nm。
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