基于雙l結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器的制造方法
【專利摘要】基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，屬于超材料領域。所述吸收器包括雙面覆有金屬的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的背面設有金屬膜層，介質(zhì)基板的正面設有刻蝕的雙L型金屬陣列圖案，雙L型金屬陣列圖案由上、下兩個L型圖案組成，每個L型圖案均由相互垂直的水平臂和豎直臂連接組成，且上部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線和下部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線相互垂直，兩個L型圖案的豎直臂設置在同一條直線上。本發(fā)明通過合理設計L型結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和晶格周期，可以完全吸收入射到超材料表面的電磁波。這種超材料吸收器具有結(jié)構(gòu)簡單、入射角寬、中紅外波段吸收，并且有兩個吸收峰的優(yōu)點，在電磁能量吸收、光譜檢測等領域有很大的應用前景。
【專利說明】基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于超材料領域，涉及一種中紅外吸收器，具體涉及一種基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁波譜中，通常把波長范圍為0.76~1000 Zfln這一波譜區(qū)間稱為紅外波譜區(qū)，其中又分為近紅外(0.76^2.5 )、中紅外(2._)和遠紅外(25~1000卿、。中紅外又被稱為熱紅外或發(fā)射紅外，可用于夜間紅外掃描成像，而且絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此對中紅外波段材料性能的研究具有重要意義。
[0003]電磁超材料(Metamaterial))是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料，如負折射率材料(Negative-1ndex Material)、光子晶體(Photonic Crystal)、量子點(Quantum Dot)等，在無線通信、光通信、雷達、傳感、成像技術(shù)等領域具有廣泛的應用。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，超材料的電磁特性可以用有效介電常數(shù)f和有效磁導車#來表示。通過設計超材料的單元結(jié)構(gòu)，使其對電場和磁場產(chǎn)生相應的諧振，從而可以方便地調(diào)控其有效介電常數(shù)和有效磁導率。利用這個思想，2001年D.Smith等人在微波波段第一次制備了介電常數(shù)和磁導率同時為負的左手材料(Left-handedMetamaterials), 2006 年 J.Pendry 和 D.Smith 等人設計并制備了隱身斗篷(Cloak)。這兩部分工作分別被Science評為2003年和2006年十大科技進展之一。
[0004]超材料完美吸收器最早由美國波士頓大學的N.1.Landy等人于2008年發(fā)表在 Physical Review Letters, 100, 207402, (20`08)上名為 “Perfect MetamaterialAbsorbers”的文章中提出的，他們利用雙面覆有金屬的介質(zhì)基板FR-4構(gòu)成面型雙層結(jié)構(gòu)，上層為開口諧振環(huán)(Split Ring Resonators),底層為切口金屬線(Cut Wire),兩者構(gòu)成諧振環(huán)，使得入射到該吸收器結(jié)構(gòu)上的電磁波在其中諧振并消耗，從而達到吸收的目的，在
11.5GHz實現(xiàn)了 88%的吸收效率。但此種結(jié)構(gòu)只能吸收單一偏振的電磁波，吸收率隨電磁波入射角的變大迅速降低，且只有單一共振吸收峰。隨后，國內(nèi)外研究人員提出了更多的面型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了偏振無關、多吸收峰、寬頻帶及寬入射角等性能。但是這些研究主要集中在微波、太赫茲及可見光波段，而工作在中紅外頻段的吸收器鮮有報道.中紅外頻段吸收器可以作為熱探測器/發(fā)射器的吸收單元，或作為涂層材料以減小電磁波的雜散發(fā)射，幾乎所有現(xiàn)存的中紅外吸收器只有一個吸收頻帶，這使得中紅外吸收器在光譜檢測、受禁毒品和易爆材料的相位成像方面的應用受到限制，因此我們急需一種多頻帶、強吸收的中紅外吸收器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述超材料吸收器的不足，本發(fā)明的目的是提出一種工作在中紅外波段的基于雙L結(jié)構(gòu)的雙頻帶超材料吸收器，旨在簡化吸收單元結(jié)構(gòu)，展寬吸收入射角，增加吸收峰數(shù)目。[0006]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于雙L結(jié)構(gòu)的雙頻帶中紅外超材料吸收器，包括雙面覆有金屬的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的背面設有金屬膜層，介質(zhì)基板的正面設有刻蝕的雙L型金屬陣列圖案。所述雙L型金屬陣列圖案由上、下兩個L型圖案組成，每個L型圖案均由相互垂直的水平臂和豎直臂連接組成，且上部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線和下部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線相互垂直，兩個L型圖案的豎直臂設置在同一條直線上。通過調(diào)節(jié)雙L型金屬陣列圖案的幾何參數(shù)和單元晶格的周期，在中紅外波段展寬吸收入射角，增加吸收峰數(shù)目。
[0007]所述雙L型金屬陣列圖案設置在介質(zhì)基板的中部。
[0008]所述介質(zhì)基板采用碳化硅基板、砷化鎵基板或硒化鋅基板中的一種，雙L型金屬陣列圖案和金屬膜層的材質(zhì)均為金。
[0009]所述吸收器單元晶格的周期為2.6^7.8 。
[0010]所述兩個L型圖案形狀大小均相同，每個L型結(jié)構(gòu)的臂長均為0.8^2.4 Zfi?，臂寬均為 0.4^1.2 Zbw。
[0011]本發(fā)明的雙頻帶中紅外超材料吸收器具有如下優(yōu)點:
1、通過兩個L形成的對稱結(jié)構(gòu)可降低材料對入射波偏振的敏感度，從而吸收任意偏振的電磁波；
2、通過兩個L的臂長及拐角點形成了方向互相垂直的等效偶極子，對入射波的入射角敏感度下降，展寬吸收 入射角；
3、L的兩個臂長、L的水平臂長端和拐角處形成了兩個等效偶極子，可以使得不同頻段的電磁波產(chǎn)生諧振，從而產(chǎn)生兩個吸收峰；
4、相對于現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)式吸收材料，本發(fā)明的吸收峰值點發(fā)生在中紅外波段；
5、結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)集成；
6、具有兩個窄帶頻譜特性，在紅外探測、紅外成像以及熱輻射器等領域具有廣泛的應用前景；
7、對于寬角度斜入射和不同偏振特性的紅外電磁波都具有完美的吸收效果，易于很好的適應復雜的電磁環(huán)境。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明提出的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實施例1的吸收率隨波長變化的仿真結(jié)果；
圖3是實施例1的TE偏振下吸收率對應不同入射角度時隨波長變化的關系曲線；
圖4是實施例1的TM偏振下吸收率對應不同入射角度時隨波長變化的關系曲線；
圖中標記:1、金屬膜層，2、介質(zhì)基板，3、金屬圖案，4、豎直臂，5、水平臂，6、兩個L形結(jié)構(gòu)豎直臂之間的縱向位移。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。[0014]在自然界中很難找到吸收率接近100%的材料，所以超材料吸收器因能實現(xiàn)完美吸收而顯得尤為重要。通過設計超材料吸收器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇合適的材料，可以使超材料吸收器的阻抗與外界達到匹配，使其反射率J為O ;同時由于吸收器底部為不透光的金屬材料，所以超材料吸收器的透射率T也為O。根據(jù)吸收率的計算公式可使得吸收率4達到100%，實現(xiàn)完美吸收。
[0015]實施例1
如圖1所示，本實施例選用雙面覆金的碳化硅介質(zhì)基板，根據(jù)吸收頻帶所對應的波長，吸收器單元晶格的周期為2.6_，介質(zhì)厚度選擇為0.27 /?*，該基板的一面刻蝕有金屬圖案3，厚度為0.1 Zfln,另一面為全金屬膜層1，厚度也為0.1 —，金屬圖案3的材料為金，其中金屬圖案3由上、下兩個L型圖案組成，兩個L型圖案設置在介質(zhì)基板2的中部，每個L型圖案均由相互垂直的水平臂5和豎直臂4連接組成，臂長為0.8 P?，臂寬為0.4 /?*，兩個L型圖案的豎直臂之間的縱向位移6為0.1/*”*，豎直臂4與單元晶格邊界的橫向位移為0.8 ,縱向位移為0.3 /?*。
[0016]圖2是吸收率隨波長變化的仿真結(jié)果，其中吸收率定義為
【權(quán)利要求】
1.基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，包括雙面覆有金屬的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的背面設有金屬膜層，其特征在于所述介質(zhì)基板的正面設有刻蝕的雙L型金屬陣列圖案，雙L型金屬陣列圖案由上、下兩個L型圖案組成，每個L型圖案均由相互垂直的水平臂和豎直臂連接組成，且上部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線和下部L型圖案的兩個臂末端形成的對角線相互垂直，兩個L型圖案的豎直臂設置在同一條直線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述雙L型金屬陣列圖案設置在介質(zhì)基板的中部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述介質(zhì)基板為碳化娃基板、神化嫁基板或砸化鋒基板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述雙L型金屬陣列圖案的材質(zhì)為金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述金屬膜層的材質(zhì)為金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述吸收器單元晶格的周期為2.6^7.8 m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙L結(jié)構(gòu)的中紅外雙頻帶超材料吸收器，其特征在于所述兩個L型圖案形狀大小均相同，每個L型結(jié)構(gòu)的臂長均為0.8^2.4 _，臂寬均為.0.4~1.2 卿。
【文檔編號】G02B5/00GK103675961SQ201310729659
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】姜永遠, 趙麗, 白陽 申請人:哈爾濱工業(yè)大學