[發明專利]一種紅外超材料吸波體

有效

• 申請號: 201410238515.5
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103984047A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 顧德恩;侯劍章;郭瑞;王志輝;王濤;袁凱;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 李明光

技術領域

本發明屬于紅外技術領域，具體涉及一種紅外超材料吸波體。

背景技術

紅外吸波材料是指對紅外光區某一頻段或某幾個頻段具有較強吸收的特殊功能材料，是制備高性能紅外傳感器的關鍵。傳統的紅外吸波材料主要是利用材料的能級躍遷吸收，將電磁能轉化成材料內部的分子勢能、電子勢能等，其轉換效率會受到材料的限制，很難實現超高的紅外吸收。而超材料吸波體作為一種新型的電磁吸收結構，基于電磁耦合，能夠實現對電磁波的近乎完美吸收。

超材料作為一種新的人工電磁材料，近年來，備受科研人員的關注并取得了一定的進展。超材料是一種具有特殊電磁特性的人工復合結構材料，具有許多特殊的應用，如完美透鏡、負折射等。超材料吸波體具有優良的性能，因此在熱測輻射熱計、熱光伏、選擇性熱發射器上具有廣泛的應用前景。自從N.I.Landy等人第一次實驗驗證了超材料完美吸波體后，超材料吸波體取得了快速的發展，工作波段逐漸從射頻波段延伸到THz波段，紅外甚至可見光波段。

目前，紅外超材料吸波體的結構主要采用的是金屬-介質-金屬的三層結構。吸收率的計算可以由公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)得出，因此要得到高吸收只需要減小反射率R(ω)與透射率T(ω)。由于結構底部的金屬層的厚度遠大于紅外波段范圍內金的趨膚深度，因此透射率可以減小到接近于零。因此，提高吸收率的有效途徑為減小反射率，而反射率的減小是通過使超材料吸波體的結構與外界(空氣)達到阻抗匹配，使電磁波盡量入射到吸波體中的方法來實現的。

目前，研究人員提出了很多不同的紅外超材料吸波體結構，以實現吸波體與外界空氣的阻抗匹配，從而實現高吸收的目的。目前研究較多的紅外超材料吸波體的結構為十字型結構，該結構的紅外超材料吸波體在特定波長可以實現超高吸收，但其可諧調范圍窄，而且當入射角較大時吸收率有明顯的降低，在TE波入射時，當入射角度大于40度時，吸收率就有明顯的降低，這些缺陷限制了紅外超材料吸波體的廣泛應用。

發明內容

本發明提供了一種紅外超材料吸波體，該吸波體具有寬入射角度和極化不敏感特性，在紅外波段能實現高達99.9％的吸收率，并且具有較好的可調諧性能。

本發明的技術方案如下：

本發明設計了一種紅外超材料吸波體，包括至少4個呈矩陣排列的吸波體單元，每個吸波體單元包括基底1、金屬層2、介質層3和十字圓環結構4，其中，金屬層2的上下表面分別與介質層3的下表面和基底1的上表面相貼，介質層3和基底1分別位于金屬層2的正上方和正下方，十字圓環結構水平貼附于介質層3的上表面且位于介質層3的正上方；十字圓環結構是由一個圓環和一個十字交叉，并把圓環內的十字部分去掉形成的，圓環的圓心和十字的幾何中心重合，圓環外的十字部分構成了十字圓環結構的四條臂；十字圓環結構的四條臂的臂長相等，十字圓環結構的四條臂的臂寬相等，基底1、金屬層2和介質層3的橫剖面均為正方形，十字圓環結構的臂平行于正方形的其中一條邊。

其中，金屬層2和十字圓環結構4由金屬材料制成。

金屬層2是一層厚度為0.05～0.2微米的連續金屬膜。介質層3是一層厚度為0.1～0.3微米的連續的介質膜，介質層3的材料為氟化鎂或氧化鋁等。

十字圓環結構的厚度為0.05～0.2微米。十字圓環結構中圓環的內圓半徑r為0.25～0.35微米，外圓半徑R為0.35～0.45微米，十字圓環結構的相對的兩臂端的間距L為0.9～2.2微米，每條臂的臂寬W為0.1～0.5微米。

基底1為硅或氧化硅材料，厚度為0.5～500微米，起支撐超材料吸波體的作用。

基底1、金屬層2和介質層3的橫剖面為正方形，其邊長D為1.6～2.6微米。

本發明的有益效果為：

1、本發明提出了一種新的紅外超材料吸波體結構，該吸波體可以在3.4～8.6微米波長范圍內任一波長處實現超高吸收，吸收率最高可達到99.9％。

2、本發明提供的紅外超材料吸波體具有寬入射角度特性，在TE波入射時，當入射角度小于60度時，吸收率為92％以上；在TM波入射時，當入射角小于80度時，吸收率為95％以上。

3、本發明提供的紅外超材料吸波體具有極化不敏感特性，對不同的極化波入射，其吸收率和諧振波長幾乎不發生改變。

4、本發明提供的紅外超材料吸波體還能精確調控諧振波長，通過改變吸波體單元的尺寸參數(臂長和臂寬)，可以實現在3.4微米到8.6微米范圍內對諧振波長的精確調控，同時具有超高的吸收率。

附圖說明