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Abstract

本发明提供了一种红外超材料吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，每个吸波体单元包括基底、位于基底正上方的金属层、位于金属层正上方的介质层和位于介质层正上方的十字圆环结构，十字圆环结构水平贴附于介质层表面，十字圆环结构是由一个圆环和十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂；十字圆环结构四条臂的臂长相等，十字圆环结构四条臂的臂宽相等，基底、金属层和介质层的横剖面均为正方形，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。本发明提供的吸波体具有超高吸收率、宽入射角度和极化不敏感特性，且具有较好的可调谐性能。

Description

一种红外超材料吸波体
技术领域
本发明属于红外技术领域，具体涉及一种红外超材料吸波体。
背景技术
红外吸波材料是指对红外光区某一频段或某几个频段具有较强吸收的特殊功能材料，是制备高性能红外传感器的关键。传统的红外吸波材料主要是利用材料的能级跃迁吸收，将电磁能转化成材料内部的分子势能、电子势能等，其转换效率会受到材料的限制，很难实现超高的红外吸收。而超材料吸波体作为一种新型的电磁吸收结构，基于电磁耦合，能够实现对电磁波的近乎完美吸收。
超材料作为一种新的人工电磁材料，近年来，备受科研人员的关注并取得了一定的进展。超材料是一种具有特殊电磁特性的人工复合结构材料，具有许多特殊的应用，如完美透镜、负折射等。超材料吸波体具有优良的性能，因此在热测辐射热计、热光伏、选择性热发射器上具有广泛的应用前景。自从N.I.Landy等人第一次实验验证了超材料完美吸波体后，超材料吸波体取得了快速的发展，工作波段逐渐从射频波段延伸到THz波段，红外甚至可见光波段。
目前，红外超材料吸波体的结构主要采用的是金属-介质-金属的三层结构。吸收率的计算可以由公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)得出，因此要得到高吸收只需要减小反射率R(ω)与透射率T(ω)。由于结构底部的金属层的厚度远大于红外波段范围内金的趋肤深度，因此透射率可以减小到接近于零。因此，提高吸收率的有效途径为减小反射率，而反射率的减小是通过使超材料吸波体的结构与外界(空气)达到阻抗匹配，使电磁波尽量入射到吸波体中的方法来实现的。
目前，研究人员提出了很多不同的红外超材料吸波体结构，以实现吸波体与外界空气的阻抗匹配，从而实现高吸收的目的。目前研究较多的红外超材料吸波体的结构为十字型结构，该结构的红外超材料吸波体在特定波长可以实现超高吸收，但其可谐调范围窄，而且当入射角较大时吸收率有明显的降低，在TE波入射时，当入射角度大于40度时，吸收率就有明显的降低，这些缺陷限制了红外超材料吸波体的广泛应用。
发明内容
本发明提供了一种红外超材料吸波体，该吸波体具有宽入射角度和极化不敏感特性，在红外波段能实现高达99.9％的吸收率，并且具有较好的可调谐性能。
本发明的技术方案如下：
本发明设计了一种红外超材料吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4，其中，金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，介质层3和基底1分别位于金属层2的正上方和正下方，十字圆环结构水平贴附于介质层3的上表面且位于介质层3的正上方；十字圆环结构是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，十字圆环结构的四条臂的臂宽相等，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
其中，金属层2和十字圆环结构4由金属材料制成。
金属层2是一层厚度为0.05～0.2微米的连续金属膜。介质层3是一层厚度为0.1～0.3微米的连续的介质膜，介质层3的材料为氟化镁或氧化铝等。
十字圆环结构的厚度为0.05～0.2微米。十字圆环结构中圆环的内圆半径r为0.25～0.35微米，外圆半径R为0.35～0.45微米，十字圆环结构的相对的两臂端的间距L为0.9～2.2微米，每条臂的臂宽W为0.1～0.5微米。
基底1为硅或氧化硅材料，厚度为0.5～500微米，起支撑超材料吸波体的作用。
基底1、金属层2和介质层3的横剖面为正方形，其边长D为1.6～2.6微米。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种新的红外超材料吸波体结构，该吸波体可以在3.4～8.6微米波长范围内任一波长处实现超高吸收，吸收率最高可达到99.9％。
2、本发明提供的红外超材料吸波体具有宽入射角度特性，在TE波入射时，当入射角度小于60度时，吸收率为92％以上；在TM波入射时，当入射角小于80度时，吸收率为95％以上。
3、本发明提供的红外超材料吸波体具有极化不敏感特性，对不同的极化波入射，其吸收率和谐振波长几乎不发生改变。
4、本发明提供的红外超材料吸波体还能精确调控谐振波长，通过改变吸波体单元的尺寸参数(臂长和臂宽)，可以实现在3.4微米到8.6微米范围内对谐振波长的精确调控，同时具有超高的吸收率。
附图说明
图1为本发明提供的红外超材料吸波体单元的立体结构示意图。
图2为本发明提供的红外超材料吸波体单元的俯视图及十字圆环结构的几何参数。
图3为本发明实施例提供的不同尺寸的红外超材料吸波体的吸收率曲线。
具体实施方式
一种红外超材料吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元。每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4，其中，金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，介质层3位于金属层2的正上方、基底1位于金属层2的正下方，十字圆环结构水平贴附于介质层3的上表面且位于介质层3的正上方。十字圆环结构是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，十字圆环结构的四条臂的臂宽相等，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形且重合，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
实施例1
一种红外超材料吸波体，该吸波体采用4个吸波体单元构成2×2二维阵列结构，其中每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4。金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，基底1由硅材料制成，厚度为50微米；金属层2位于基底1的正上方，是一层连续的金属膜，材料为金，厚度为0.1微米；介质层3位于金属层2的正上方，材料为氟化镁，厚度为0.13微米；十字圆环结构4位于介质层3的正上方，是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂，十字圆环结构4中圆环的内圆半径r为0.3微米，外圆半径R为0.4微米；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，相对两臂端间距L为0.9微米，十字圆环结构的四条臂的臂宽W是相等的，均为0.1微米，十字圆环结构的厚度为0.1微米，材料为金，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形且边长D均为2微米，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
实施例2
一种红外超材料吸波体，该吸波体采用4个吸波体单元构成2×2二维阵列结构，其中每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4。金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，基底1由硅材料制成，厚度为50微米；金属层2位于基底1的正上方，是一层连续的金属膜，材料为金，厚度为0.1微米；介质层3位于金属层2的正上方，材料为氟化镁，厚度为0.13微米；十字圆环结构4位于介质层3的正上方，是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂，十字圆环结构4中圆环的内圆半径r为0.3微米，外圆半径R为0.4微米；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，相对两臂端间距L为1.5微米，十字圆环结构的四条臂的臂宽W是相等的，均为0.2微米，十字圆环结构的厚度为0.1微米，材料为金，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形且边长D均为2微米，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
实施例3
一种红外超材料吸波体，该吸波体采用4个吸波体单元构成2×2二维阵列结构，其中每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4。金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，基底1由硅材料制成，厚度为50微米；金属层2位于基底1的正上方，是一层连续的金属膜，材料为金，厚度为0.1微米；介质层3位于金属层2的正上方，材料为氟化镁，厚度为0.13微米；十字圆环结构4位于介质层3的正上方，是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂，十字圆环结构4中圆环的内圆半径r为0.3微米，外圆半径R为0.4微米；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，相对两臂端间距L为1.8微米，十字圆环结构的四条臂的臂宽W是相等的，均为0.4微米，十字圆环结构的厚度为0.1微米，材料为金，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形且边长D均为2微米，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
实施例4
一种红外超材料吸波体，该吸波体采用4个吸波体单元构成2×2二维阵列结构，其中每个吸波体单元包括基底1、金属层2、介质层3和十字圆环结构4。金属层2的上下表面分别与介质层3的下表面和基底1的上表面相贴，基底1由硅材料制成，厚度为50微米；金属层2位于基底1的正上方，是一层连续的金属膜，材料为金，厚度为0.1微米；介质层3位于金属层2的正上方，材料为氟化镁，厚度为0.13微米；十字圆环结构4位于介质层3的正上方，是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂，十字圆环结构4中圆环的内圆半径r为0.3微米，外圆半径R为0.4微米；十字圆环结构的四条臂的臂长相等，相对两臂端间距L为1.95微米，十字圆环结构的四条臂的臂宽W是相等的，均为0.5微米，十字圆环结构的厚度为0.1微米，材料为金，基底1、金属层2和介质层3的横剖面均为正方形且边长D均为2微米，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
图3是本发明实施例1至4提供的红外超材料吸波体的吸收率曲线。由图3可知，本发明提供的超材料吸波体在3.4～8.6微米内吸收率高达99.9％。

Claims (9)

1.一种红外超材料吸波体，包括至少4个呈矩阵排列的吸波体单元，每个吸波体单元包括基底(1)、金属层(2)、介质层(3)和十字圆环结构(4)，其中，金属层(2)的上下表面分别与介质层(3)的下表面和基底(1)的上表面相贴，介质层(3)和基底(1)分别位于金属层(2)的正上方和正下方，十字圆环结构水平贴附于介质层(3)的上表面且位于介质层(3)的正上方；十字圆环结构是由一个圆环和一个十字交叉，并把圆环内的十字部分去掉形成的，圆环的圆心和十字的几何中心重合，圆环外的十字部分构成了十字圆环结构的四条臂；十字圆环结构四条臂的臂长相等，十字圆环结构四条臂的臂宽相等；基底(1)、金属层(2)和介质层(3)的横剖面均为正方形，十字圆环结构的臂平行于正方形的其中一条边。
2.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述金属层(2)和十字圆环结构(4)由金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述金属层(2)的厚度为0.05～0.2微米。
4.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述介质层(3)的材料为氟化镁或氧化铝。
5.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述介质层(3)的厚度为0.1～0.3微米。
6.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述十字圆环结构(4)的厚度为0.05～0.2微米。
7.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述十字圆环结构(4)中圆环的内圆半径r为0.25～0.35微米，外圆半径R为0.35～0.45微米，十字圆环结构的相对的两臂端的间距L为0.9～2.2微米，每条臂的臂宽W为0.1～0.5微米。
8.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，所述基底(1)为硅或氧化硅材料，厚度为0.5～500微米。
9.根据权利要求1所述的红外超材料吸波体，其特征在于，基底(1)、金属层(2)和介质层(3)的横剖面正方形的边长D为1.6～2.6微米。
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