CN103296483A - 一种基于表面等离子体激元的吸波材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于表面等离子体激元的吸波材料，其包括能将电磁波转换为垂直极化电磁波的超材料以及能产生表面等离子体激元效应的金属光栅；超材料由多片超材料片层构成，每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；电磁波的电场矢量在于电磁波入射方向垂直的平面上分解成两个不为零的正交分量，电磁波穿过所述超材料后，两个正交分量具有与入射前不同的相位差Δθ。本发明通过在金属光栅前增设超材料，超材料能方便的将电磁波转换为垂直极化电磁波，增大了金属光栅响应电磁波的类型，扩大其使用范围。同时超材料结构简单，电磁参数调节方便，能进一步扩大吸波材料的使用范围。

Description

一种基于表面等离子体激元的吸波材料

技术领域

本发明涉及一种吸波材料，尤其涉及一种基于表面等离子体激元的吸波材料。

背景技术

当电磁波辐射到导体或介质的界面时，导体中的自由电子与电磁波相互作用，导致自由电子浓度涨落。当入射电磁波的频率与引起自由电子集体振荡的频率一致时，便会在导体表面传播具有独特性质的表面等离子体激元(SurfacePlasmons Ploaritons-SPPs)。在SPPs模式下，电子的振动动能通过电子和中性粒子之间的不断碰撞转变为热能，从而不可逆的吸收入射电磁波的能量，形成吸波效应。但是由于SPPs是沿着导体或介质表面传播，因此要求在垂直于导体或介质界面方向上必须存在电场分量，所以仅仅有TM极化(垂直极化)电磁波能在导体或介质界面处激发SPPs，而TE极化(水平极化)或其他极化方式的电磁波则不行。

而在实际应用中，各种极化的波均存在，SPPs的上述性质大大限制了其应用环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种将各种极化电磁波转换为TM极化电磁波，使得空间中各种电磁波均能有效被吸收的基于表面等离子体激元的吸波材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种基于表面等离子体激元的吸波材料，其包括能将电磁波转换为垂直极化电磁波的超材料以及能产生表面等离子体激元效应的金属光栅；所述超材料由多片超材料片层构成，每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；电磁波的电场矢量在于电磁波入射方向垂直的平面上分解成两个不为零的正交分量，所述两个正交分量分别与所述人造金属微结构所处位置的光轴平行和垂直，所述电磁波穿过所述超材料后，所述两个正交分量具有与入射前不同的相位差Δθ。

进一步地，所述人造金属微结构呈各向异性，所述超材料片层的折射率分布均匀，所述人造金属微结构所在平面垂直于所述电磁波入射方向。

进一步地，所述相位差Δθ＝(k1-k2)*d，其中，

$k1=\mathrm{\ω}*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}*\sqrt{{\mathrm{\μ}}_1};$

$k2=\mathrm{\ω}*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}*\sqrt{{\mathrm{\μ}}_2};$

ω为所述电磁波的频率；

ε₁、μ₁分别为所述超材料在所述两个正交分量中其中一个分量方向上的介电常数和磁导率，ε₂、μ₂分别为所述超材料在所述两个正交分量中另一个分量方向上的介电常数和磁导率；

d为所述超材料的厚度。

进一步地，所述相位差Δθ＝Kπ，其中K为整数。

进一步地，所述人造金属微结构的光轴方向与所述电磁波的电场矢量方向呈45度夹角。

进一步地，所述人造金属微结构的拓扑结构为非90度旋转对称的结构。

进一步地，所述拓扑结构呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第二主线的两端垂直设置有两个第二支线。

进一步地，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

进一步地，所述入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线与第二主线所在的直线上。

进一步地，所述入射电磁波的电场矢量方向与第一主线呈45度夹角。

进一步地，所述金属光栅为矩形金属光栅。

本发明通过在能激发表面等离子体激元效应以吸收电磁波的金属光栅前增设超材料，超材料能方便的将电磁波转换为垂直极化电磁波，增大了金属光栅响应电磁波的类型，扩大其使用范围。同时超材料结构简单，电磁参数调节方便，能进一步扩大本发明吸波材料的使用范围。

附图说明

图1为本发明中构成超材料的基本单元的结构示意图；

图2为本发明吸波材料的结构示意图；

图3为本发明超材料的立体结构示意图；

图4为本发明极化转换的示意图；

图5为本发明超材料一较佳实施例中人造金属微结构的拓扑结构示意图；

图6为图5所示拓扑结构示意图衍生得到的拓扑结构示意图；

图7为图5所示拓扑结构示意图变形的到的一个拓扑结构示意图；

图8为图5所示拓扑结构示意图变形得到的另一个拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明具体实施方式。

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本发明中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本发明超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图2所示，图2为本发明基于表面等离子体激元的吸波材料的结构示意图。图2中，吸波材料包括能激发出表面等离子体激元效应的金属光栅10以及超材料20。超材料20将电磁波转换为TM极化的电磁波，使得金属光栅10能够有效吸收各种极化方式的电磁波。

TM极化和TE极化电磁波通过如下方式定义：在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：

其中 E_xm及E_ym分别为电场在X轴及Y轴方向上的幅值，w为电磁波波动的角频率，θx及θy分别为X轴方向及Y轴方向的两个分量的相位。

若

与

的相位差为nπ，(n＝1，2，3，...)，则合成矢量的模为：

$\left|\stackrel{\→}{E}\right|=\sqrt{({{\stackrel{\→}{E}}_x}^2+{{\stackrel{\→}{E}}_y}^2)}=\sqrt{E_{\mathrm{xm}}^2+E_{\mathrm{ym}}^2}*\cos \mathrm{wt},$ 这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为：

θ＝tg^-1(E_y/E_x)＝tg^-1(E_ym/E_xm)，合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。

与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化，该电磁波为TE极化电磁波；当极化面与地面垂直时，为垂直极化，该电磁波为TM极化电磁波。

如图3所示，图3为本发明中超材料20的立体结构示意图。吸波材料20由多片超材料片层200构成，每层超材料片层200包括基材201以及周期排布于基材201上的多个人造金属微结构202。图3中，超材料20上方的箭头表示入射电磁波，下方的箭头表示出射电磁波，由图3可知，电磁波是垂直于人造金属微结构202所在平面入射。

图3中，超材料20由6片超材料片层200构成，通过控制超材料片层200的层数从而影响超材料整体的厚度，进而获得所需的相位差，实现将各种极化的电磁波转换为垂直极化的电磁波。

每层超材料片层200上的折射率分布均匀，此处的分布均匀是指超材料片层200上的每个超材料基本单元的折射率相同，由于电磁波垂直入射，因此出射时电磁波的传播方向不发生改变。人造金属微结构202为各向异性的人造金属微结构。

入射电磁波的电场矢量在人造金属微结构202所处的平面分解成两个不为零的正交分量，两个分量分别平行和垂直于人造金属微结构所处位置的光轴，此处的光轴是指人造金属微结构的折射率椭球的长轴，此处的折射率椭球指的是每一人造金属微结构的折射率的空间分布；光轴与电磁波的电场矢量方向的夹角不为0，则电场矢量在垂直于电磁波的入射方向的平面内分解成的两个正交分量都不为0。在电磁波穿过超材料20后，两个正交分量具有与入射前不同的相位差Δθ，Δθ＝(k1-k2)*d，从而实现上述电磁波极化方式的相互转换，其中，

$k1=\mathrm{\ω}*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}*\sqrt{{\mathrm{\μ}}_1};$

$k2=\mathrm{\ω}*\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}*\sqrt{{\mathrm{\μ}}_2};$

ω为电磁波的频率；

ε₁、μ₁分别为所述超材料单元在所述两个正交分量中其中一个分量方向上的介电常数和磁导率，ε₂、μ₂分别为所述超材料单元在所述两个正交分量中另一个分量方向上的介电常数和磁导率。

d为超材料的厚度。

能对入射电磁波的电场矢量的两个正交分量均有电响应的人造金属微结构对实现超材料功能尤为重要。这要求人造金属微结构为各向异性的人造金属微结构，各向异性即指人造金属微结构所在的超材料基本单元的电磁参数并不是每点均相同。具体在人造金属微结构的拓扑图案的表现为：人造金属微结构的的图案为一非90度旋转对称图形，非90度旋转对称图形是90度旋转对称的相对概念，所谓90度旋转对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合，具有此图形的金属微结构构成的单元格表现出各向同性(即单元格空间内的电磁参数每点都相同)。反之，具有非90度旋转对称的图形的金属微结构构成的单元格则表现为各向异性(即单元格空间内并不是每点的电磁参数张量均相同)。

金属微结构构成的单元格若表现为各向异性，则会影响通过其中的电磁波的电场矢量，使得电磁波通过每一个单元格时，两个正交分量都会受到影响，只是由于人造微结构具有各向异性的电磁特性，两个正交分量受到的影响不一样，即两个正交分量的振动会有快有慢，因此两个正交分量产生了相位差的变化，而在电磁波离开超材料转换器时，其经过了多个单元格，相位差得到累加，若最终相位差Δθ不等于入射前的相位差，则两个正交分量的合成后的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)将相对于入射前发生了极化特性的改变，实现极化转换。

如图4所示，图4为本发明电磁波极化转换的示意图(在x轴与y轴构成的平面内)，若定义电磁波的传播方向为三维直角坐标系中的z轴(垂直于人造金属微结构所在表面)，则由电磁波的基本原理可知，电场矢量E在x与y轴所构成的平面内，假定入射的电磁波的电场矢量为E_r，其两个正交分量为E_1r与E_2r；离开超材料时电磁波的电场矢量为E_c，其两个正交分量为E_1c与E_2c；其中E_1r表示沿光轴方向的分量，E_2r则表示另一个分量，E_1c与E_2c分别为E_1r与E_2r出射时的两个分量；此处，E_c假定为电磁波离开超材料的电场矢量只是为了方便描述，因为电磁波离开超材料后，其不再受到人造金属微结构的影响，其极化特性已经稳定。假设电磁波在未入射之前E_r与E_1r的夹角为a，且穿过超材料后，电磁波的电场矢量E_c的分量E_1c与E_1r完全重合，E_c与E_1c的夹角为b，下面详细描述本发明中任意极化电磁波向垂直极化电磁波极化转换过程：

当Δθ＝Kπ(K为整数)，此时两个正交分量E_1c与E_2c合成后得到的电场矢量E_c的相位为一常数，此时首先实现了任意极化状态的电磁波到线极化电磁波(包括水平极化和垂直极化)的转换；如图8所示，假设其表示的任意夹角的水平极化电磁波向垂直极化电磁波的转换，则由于E_1c与E_2c相位差为Kπ，E_2c在如图8所示的位置上，根据几何原理，合成后的E_c与E_r的模相等，只是E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了(a+b)的角度，由几何原理同样可得，a＝b，即E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了2a的角度，若人造微结构的光轴方向与电场矢量的方向呈45度夹角(即a＝45度)，即E_r与E_1r的夹角为45度，则经过此种超材料后，E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了90的角度，则此种结构的超材料可以实现了水平极化向垂直极化的极化转换。

通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可改变超材料空间中每一基本单元的电磁参数ε和μ，从而改变相应超材料单元的折射率n，因此通过合理计算可以得到想要的相位差Δθ，从而实现想要的极化转换。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先确定Δθ的数值，根据此数值去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一基本单元的电磁参数分布，根据这每一基本单元的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)。对每个基本单元的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和想要的对比，对比再循环多次，一直到找到想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，直到找到想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了需要的电磁参数的金属微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。下面详细介绍几种较优选的人造金属微结构拓扑图案。

如图5所示，图5为各向异性的人造金属微结构的一较佳实施例的拓扑结构示意图。图5中，金属微结构呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，第二主线的两端垂直设置有两个第二支线24。第一主线21及第二主线22相互平分，两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。在这个实施例中，各向同性的情况为，在具备前特征外，金属线同时还应当满足以下两个条件：

1)第一主线与第二主线长度与宽度相同；

2)第一分支与第二分支长度与宽度也相同；

因此，只要不同时满足上面的条件，则由上述图案的金属微结构构成的单元结构表现为各向异性。

在本实施例中，入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线21与第二主线22所在的直线上，即第一主线21与第二主线22中的一条的方向为光轴的方向。这样一来，电磁波的电场矢量的两个正交分量一个是在第一主线21的直线方向，另外一个则在第二主线22的直线方向，使得金属微结构2对电磁波的两个正交分量都有影响(电场响应)，这种影响经过一定时间叠加后，则会使电磁波的电场矢量的两个正交分量产生相位差的变化，从而使得两个正交分量的合成矢量(出射电磁波的电场适量)发生改变，实现了电磁波的极化转换。本发明需要使得任意极化状态的电磁波转换为线极化波中的垂直极化电磁波，其出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度相等以实现任意极化状态的电磁波转换为线极化波后同时实现线极化波中的水平极化电磁波转换为垂直极化电磁波，此时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角。

可以想象地，人造金属微结构的拓扑图案可以有多种，如图6所示，图6为图5所示人造金属微结构拓扑图案的衍生图案，其在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；图7、图8是图5所示人造金属微结构拓扑图案的变形图案；另外还有很多变形图案，在此不一一列举，只要其满足各向异性的要求即可。

作为一个实施例，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在基材201上。

本发明的基材201可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，还可以由环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。

作为一个实施例，金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

在超材料将入射电磁波转换为TM波后，金属光栅10对应入射电磁波激发出表面等离子体激元效应以吸收电磁波。

金属光栅为矩形光栅，其高度为D，槽深d，占空比为L/(L+H)。本实施例中，矩形光栅高度D为13-16毫米，槽深d为8.3-9.2毫米，槽宽为12毫米，占空比为0.5。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (11)

1.一种基于表面等离子体激元的吸波材料，其特征在于：包括能将电磁波转换为垂直极化电磁波的超材料以及能产生表面等离子体激元效应的金属光栅所述超材料由多片超材料片层构成，每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；电磁波的电场矢量在电磁波入射方向垂直的平面上分解成两个不为零的正交分量，所述两个正交分量分别与所述人造金属微结构所处位置的光轴平行和垂直，所述电磁波穿过所述超材料后，所述两个正交分量具有与入射前不同的相位差△θ。

2.如权利要求1所述的吸波材料，其特征在于：所述人造金属微结构呈各向异性，所述超材料片层的折射率分布均匀，所述人造金属微结构所在平面垂直于所述电磁波入射方向。

3.如权利要求1或2所述的吸波材料，其特征在于：所述相位差△θ=（k1-k2）*d，其中，

ω为所述电磁波的频率；

ε₁、μ₁分别为所述超材料在所述两个正交分量中其中一个分量方向上的介电常数和磁导率，ε₂、μ₂分别为所述超材料在所述两个正交分量中另一个分量方向上的介电常数和磁导率；

d为所述超材料的厚度。

4.如权利要求3所述的吸波材料，其特征在于：所述相位差△θ=Kπ，其中K为整数。

5.如权利要求4所述的吸波材料，其特征在于：所述人造金属微结构的光轴方向与所述电磁波的电场矢量方向呈45度夹角。

6.如权利要求2所述的吸波材料，其特征在于：所述人造金属微结构的拓扑结构为非90度旋转对称的结构。 

7.如权利要求6所述的吸波材料，其特征在于：所述拓扑结构呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第二主线的两端垂直设置有两个第二支线。

8.如权利要求7所述的吸波材料，其特征在于：所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

9.如权利要求8所述的吸波材料，其特征在于：所述入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线与第二主线所在的直线上。

10.如权利要求9所述的吸波材料，其特征在于：所述入射电磁波的电场矢量方向与第一主线呈45度夹角。

11.如权利要求1所述的吸波材料，其特征在于：所述金属光栅为矩形金属光栅。 

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