基于双L结构的中红外双频带超材料吸收器

摘要

基于双L结构的中红外双频带超材料吸收器，属于超材料领域。所述吸收器包括双面覆有金属的介质基板，介质基板的背面设有金属膜层，介质基板的正面设有刻蚀的双L型金属阵列图案，双L型金属阵列图案由上、下两个L型图案组成，每个L型图案均由相互垂直的水平臂和竖直臂连接组成，且上部L型图案的两个臂末端形成的对角线和下部L型图案的两个臂末端形成的对角线相互垂直，两个L型图案的竖直臂设置在同一条直线上。本发明通过合理设计L型结构的几何尺寸和晶格周期，可以完全吸收入射到超材料表面的电磁波。这种超材料吸收器具有结构简单、入射角宽、中红外波段吸收，并且有两个吸收峰的优点，在电磁能量吸收、光谱检测等领域有很大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于超材料领域，涉及一种中红外吸收器，具体涉及一种基于双L结构的中红外双频带超材料吸收器。

背景技术

电磁波谱中，通常把波长范围为0. 76~1000                                               这一波谱区间称为红外波谱区，其中又分为近红外（0.76~2.5）、中红外（2.5~25）和远红外（25~1000）。中红外又被称为热红外或发射红外，可用于夜间红外扫描成像，而且绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此对中红外波段材料性能的研究具有重要意义。

     电磁超材料(Metamaterial))是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，如负折射率材料(Negative-Index Material）、光子晶体(Photonic Crystal)、量子点（Quantum Dot）等，在无线通信、光通信、雷达、传感、成像技术等领域具有广泛的应用。根据等效媒质理论，超材料的电磁特性可以用有效介电常数和有效磁导率来表示。通过设计超材料的单元结构，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。利用这个思想，2001年D. Smith等人在微波波段第一次制备了介电常数和磁导率同时为负的左手材料(Left-handed Metamaterials)，2006年J. Pendry和D. Smith等人设计并制备了隐身斗篷(Cloak)。这两部分工作分别被Science评为2003年和2006年十大科技进展之一。

超材料完美吸收器最早由美国波士顿大学的N. I. Landy等人于2008年发表在Physical Review Letters, 100, 207402, (2008)上名为“Perfect Metamaterial Absorbers”的文章中提出的，他们利用双面覆有金属的介质基板FR-4构成面型双层结构，上层为开口谐振环（Split Ring Resonators），底层为切口金属线（Cut Wire），两者构成谐振环，使得入射到该吸收器结构上的电磁波在其中谐振并消耗，从而达到吸收的目的，在11.5GHz实现了88%的吸收效率。但此种结构只能吸收单一偏振的电磁波，吸收率随电磁波入射角的变大迅速降低，且只有单一共振吸收峰。随后，国内外研究人员提出了更多的面型结构，实现了偏振无关、多吸收峰、宽频带及宽入射角等性能。但是这些研究主要集中在微波、太赫兹及可见光波段，而工作在中红外频段的吸收器鲜有报道.中红外频段吸收器可以作为热探测器/发射器的吸收单元，或作为涂层材料以减小电磁波的杂散发射，几乎所有现存的中红外吸收器只有一个吸收频带，这使得中红外吸收器在光谱检测、受禁毒品和易爆材料的相位成像方面的应用受到限制，因此我们急需一种多频带、强吸收的中红外吸收器。

发明内容

针对上述超材料吸收器的不足，本发明的目的是提出一种工作在中红外波段的基于双L结构的双频带超材料吸收器，旨在简化吸收单元结构，展宽吸收入射角，增加吸收峰数目。

    本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于双L结构的双频带中红外超材料吸收器，包括双面覆有金属的介质基板，介质基板的背面设有金属膜层，介质基板的正面设有刻蚀的双L型金属阵列图案。所述双L型金属阵列图案由上、下两个L型图案组成，每个L型图案均由相互垂直的水平臂和竖直臂连接组成，且上部L型图案的两个臂末端形成的对角线和下部L型图案的两个臂末端形成的对角线相互垂直，两个L型图案的竖直臂设置在同一条直线上。通过调节双L型金属阵列图案的几何参数和单元晶格的周期，在中红外波段展宽吸收入射角，增加吸收峰数目。

所述双L型金属阵列图案设置在介质基板的中部。

所述介质基板采用碳化硅基板、砷化镓基板或硒化锌基板中的一种，双L型金属阵列图案和金属膜层的材质均为金。

所述吸收器单元晶格的周期为2.6~7.8。

所述两个L型图案形状大小均相同，每个L型结构的臂长均为0.8~2.4，臂宽均为0.4~1.2。

本发明的双频带中红外超材料吸收器具有如下优点：

1、通过两个L形成的对称结构可降低材料对入射波偏振的敏感度，从而吸收任意偏振的电磁波；

2、通过两个L的臂长及拐角点形成了方向互相垂直的等效偶极子，对入射波的入射角敏感度下降，展宽吸收入射角；

3、L的两个臂长、L的水平臂长端和拐角处形成了两个等效偶极子，可以使得不同频段的电磁波产生谐振，从而产生两个吸收峰；

4、相对于现有的结构式吸收材料，本发明的吸收峰值点发生在中红外波段；

5、结构简单，易于实现集成；

6、具有两个窄带频谱特性，在红外探测、红外成像以及热辐射器等领域具有广泛的应用前景；

7、对于宽角度斜入射和不同偏振特性的红外电磁波都具有完美的吸收效果，易于很好的适应复杂的电磁环境。

附图说明

    图1是本发明提出的基于双L结构的中红外双频带超材料吸收器的结构示意图；

    图2是实施例1的吸收率随波长变化的仿真结果；

    图3是实施例1的TE偏振下吸收率对应不同入射角度时随波长变化的关系曲线；

图4是实施例1的TM偏振下吸收率对应不同入射角度时随波长变化的关系曲线；

    图中标记：1、金属膜层，2、介质基板，3、金属图案，4、竖直臂，5、水平臂，6、两个L形结构竖直臂之间的纵向位移。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

在自然界中很难找到吸收率接近100%的材料，所以超材料吸收器因能实现完美吸收而显得尤为重要。通过设计超材料吸收器的几何结构参数和选择合适的材料，可以使超材料吸收器的阻抗与外界达到匹配，使其反射率为0；同时由于吸收器底部为不透光的金属材料，所以超材料吸收器的透射率也为0。根据吸收率的计算公式，可使得吸收率达到100%，实现完美吸收。

实施例1

如图1所示，本实施例选用双面覆金的碳化硅介质基板，根据吸收频带所对应的波长，吸收器单元晶格的周期为2.6，介质厚度选择为0.27，该基板的一面刻蚀有金属图案3，厚度为0.1，另一面为全金属膜层1，厚度也为0.1，金属图案3的材料为金，其中金属图案3由上、下两个L型图案组成，两个L型图案设置在介质基板2的中部，每个L型图案均由相互垂直的水平臂5和竖直臂4连接组成，臂长为0.8，臂宽为0.4，两个L型图案的竖直臂之间的纵向位移6为0.1，竖直臂4与单元晶格边界的横向位移为0.8，纵向位移为0.3。

图2是吸收率随波长变化的仿真结果，其中吸收率定义为，式中为反射系数的模值，为透射系数的模值，吸收率为1表示既无反射也无透射，即电磁波被全部吸收，从图2可以看出有两个吸收频带，且两个吸收峰值的吸收率都接近100%，即入射到吸收器上的电磁波被全部吸收。

图3给出了TE偏振下吸收率对应不同入射角度时随波长变化关系的仿真结果，从图3可以看出，当电磁波在0-60度的范围内斜入射在吸收器上时，吸收率仍在96%以上，即入射角的变化对本发明的吸收率影响不大。

图4给出了TM偏振下吸收率对应不同入射角度时随波长变化关系的仿真结果，从图4可以看出，当电磁波在0-60度的范围内斜入射在吸收器上时，吸收率仍在96%以上，即入射角的变化对本发明的吸收率影响不大。

实施例2

如图1所示，本实施例选用双面覆金的砷化镓介质基板，根据吸收频带所对应的波长，吸收器单元晶格的周期为2.6，介质厚度选择为0.27，该基板的一面刻蚀有金属图案3，厚度为0.1，另一面为全金属膜层1，厚度也为0.1，金属图案3的材料为金，其中金属图案3由上、下两个L型图案组成，两个L型图案设置在介质基板2的中部，每个L型图案均由相互垂直的水平臂5和竖直臂4连接组成，臂长为0.8，臂宽为0.4，两个L型图案的竖直臂之间的纵向位移6为0.1，竖直臂4与单元晶格边界的横向位移为0.8，纵向位移为0.3。

实施例3

如图1所示，本实施例选用双面覆金的硒化锌介质基板，根据吸收频带所对应的波长，吸收器单元晶格的周期为6.5，介质厚度选择为0.5，该基板的一面刻蚀有金属图案3，厚度为0.25另一面为全金属膜层1，厚度为0.1，金属图案3的材料为金，其中金属图案3由上、下两个L型图案组成，两个L型图案设置在介质基板2的中部，每个L型图案均由相互垂直的水平臂5和竖直臂4连接组成，臂长为1.9，臂宽为1，两个L型图案的竖直臂之间的纵向位移6为0.4，竖直臂4与单元晶格边界的横向位移为2.75，纵向位移为1.15。

实施例4

如图1所示，本实施例选用双面覆金的硒化锌介质基板，根据吸收频带所对应的波长，吸收器单元晶格的周期为7.8，介质厚度选择为0.6，该基板的一面刻蚀有金属图案3，厚度为0.2，另一面为全金属底板1，厚度也为0.2，金属图案3的材料为金，其中金属图案3由上、下两个L型图案组成，两个L型图案设置在介质基板2的中部，每个L型图案均由相互垂直的水平臂5和竖直臂4连接组成，臂长为2.4，臂宽为1.2，两个L型图案的竖直臂之间的纵向位移6为1，竖直臂4与单元晶格边界的横向位移为3.3，纵向位移为1。