CN104181622A - 一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法。本发明步骤如下：1.根据有效介质理论，并通过CST微波工作室仿真得到S参数，仿真时采用频域计算模式；周期性单元结构在x和y方向为周期性分布，并将其设置为周期性边界条件。结合扫描得到的参数和，计算出阻抗值。2.通过改变单元结构的周期和钛的谐振圆盘的尺寸，调节对应的吸收频率，将多个不同尺寸的谐振圆盘水平地放入一个单元内，使不同的谐振圆盘对应的吸收谱线叠加。本发明采用高损耗的金属能够使简单结构获得宽带吸波效果。将单一尺寸的谐振单元替换为不同尺寸的谐振单元，能够激发相邻频率的谐振模式，进一步拓宽吸收带宽。

Description

一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法

技术领域

本发明属于电磁波吸收和辐射控制领域,尤其涉及一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法。

背景技术

电磁波吸波材料是指能够吸收衰减入射电磁波能量，并通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式的一类功能复合材料。电磁波吸波材料的研究在军事和国民经济的应用中都具有重要的意义，在雷达隐身、热辐射仪、红外探测器以及热光伏电池等多方面有着重要应用。传统的常规电磁波吸收材料是基于电磁波能量转换到热能量，如Salisbury吸收屏,它们大多集中在某种有耗媒质，以一定的外型结构达到吸收电磁波的目的。

随着超材料(Metamaterial)的实现，一种崭新的吸波方式得到了广泛的关注，即超材料吸波。超材料吸波是一种新型的吸波方法，通过设计等效电磁参数获得阻抗匹配和大的损耗系数，可通过合理调整结构单元和尺寸在各种不同的频段范围内实现几乎完美吸波。同时，超材料介质并不需要局限于四分之一个波长的厚度，它可以在厚度远小于波长情况下实现完美的吸收。

超材料的吸波特点使得其在许多领域中具有重要的应用价值。它在军事领域的运用前景已经引起了国际上的广泛关注。通过在表面黏附一层吸波材料，可以有效的减小飞机和舰艇对于雷达的反射，防止其被探测到，达到隐身的目的；而且黏附的人工吸波材料的厚度非常薄(一般小于波长量级)，对飞机、舰艇的性能(载重、速度等)没有丝毫影响。

超材料吸波一般是基于电、磁共振的，这使得一般的完美吸收带宽都比较窄，限制了实际的器件应用。为实现宽带吸波，需要基于窄带起源探索频带展宽方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法。

超材料近红外吸波材料由周期性单元结构组成，周期性单元结构设置在底层上，底层是连续的金膜，厚度为100nm；顶层是钛的谐振圆盘；底层金膜和顶层谐振圆盘之间是电介质隔离层，电介质隔离层由二氧化硅构成，厚度为160nm。每个周期性单元结构由三层结构组成，每一层结构的厚度都远小于其工作波长。

一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1.根据有效介质理论，超材料(Metamaterials)近红外吸波材料的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Z，均与磁导率μ和介电系数ε相关；

反射率R(ω)和透射率T(ω)均和S参数有关，其中R(ω)＝│S₁₁(ω)│²，T(ω)＝│S₂₁(ω)│²。

通过商用软件CST微波工作室(CST Microwave Studio)仿真计算得到S参数，仿真时采用频域计算模式，TEM电磁波正入射到周期性单元结构上表面；周期性单元结构在x和y方向为周期性分布，并将其设置为周期性边界条件。

近红外吸波材料吸收率A(ω)通过以下公式(1)得到：

A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)＝1-│S₂₁(ω)│²-│S₁₁(ω)│²    (1)

通过S参数，得到近红外吸波材料的等效波阻抗Z：

$Z=\sqrt{{\left((1+S_{11}\right)}^2-S_{21}^2/{\left((1-S_{11}\right)}^2-S_{21}^2}---\left(2\right)$

结合商用软件CST微波工作室的参数扫描，得到仅有单个尺寸谐振单元的超材料近红外吸波材料的最优吸收曲线。同时根据入射端口和出射端口得到的参数S₁₁(ω)和S₂₁(ω)，从而计算出阻抗值。

在吸收波段内，阻抗值的实部接近于1，和自由空间可以实现很好的阻抗匹配，将反射率降低，获得很高的吸收率。

步骤2.通过改变单元结构的周期和钛的谐振圆盘的尺寸，调节对应的吸收频率。将多个不同尺寸的谐振圆盘水平地放入一个单元内，使不同的谐振圆盘对应的吸收谱线叠加，若不同的谐振圆盘对应的吸收频率相邻，则能够进一步拓宽吸波频带。

本发明有益效果如下：

本发明提出了一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法，采用高损耗的金属能够使简单结构获得宽带吸波效果。将单一尺寸的谐振单元替换为不同尺寸的谐振单元，能够激发相邻频率的谐振模式，进一步拓宽吸收带宽。

本发明能够实现超宽的吸波频带，可用于红外辐射器件的设计，提高光热太阳能电池系统的转化效率。且本发明中钛的谐振圆盘的结构简单，能够用纳米压印实现大规模、快速的制作。

附图说明

图1为基于高损耗金属的宽带吸波器示意图。

图2为单个尺寸钛谐振圆盘示意图。

图3为基于高损耗金属的宽带吸波器的吸收曲线。

图4为提取出来阻抗值。

图5为不同入射角度下的吸收曲线。

图6为多个不同尺寸圆盘构成的宽带吸波器示意图。

图7为多个不同尺寸圆盘宽带吸波器的吸收曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，超材料近红外吸波材料由周期性单元结构组成。每个单元结构由三层不同材料的结构组成，每一层结构的厚度都远小于波长。具体而言，在硅衬底上设置一层金膜，厚度约为100nm，用于抑制光的透射；在金膜上是连续的二氧化硅薄膜，厚度为160nm；最上层是由金属钛构成的谐振圆盘，直径为400nm，厚度为30nm。其中二氧化硅在近红外的折射率约为1.45，金属钛的介电常数用Drude模型来表示。金的等离子体频率为1.366×10¹⁶Hz，碰撞频率为1.2×10¹⁴Hz；金属钛的等离子体频率为1.45×10¹⁶Hz，碰撞频率为5.5×10¹⁵Hz。

一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1.根据有效介质理论，超材料(Metamaterials)近红外吸波材料的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Z，均与磁导率μ和介电系数ε相关；

反射率R(ω)和透射率T(ω)均和S参数有关，其中R(ω)＝│S₁₁(ω)│²，T(ω)＝│S₂₁(ω)│²。

通过商用软件CST微波工作室(CST Microwave Studio)仿真计算得到S参数，仿真时采用频域计算模式，TEM电磁波正入射到周期性单元结构上表面；周期性单元结构在x和y方向为周期性分布，并将其设置为周期性边界条件。

近红外吸波材料吸收率A(ω)通过以下公式(1)得到：

A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)＝1-│S₂₁(ω)│²-│S₁₁(ω)│²    (1)

通过S参数，得到近红外吸波材料的等效波阻抗Z：

$Z=\sqrt{{\left((1+S_{11}\right)}^2-S_{21}^2/{\left((1-S_{11}\right)}^2-S_{21}^2}---\left(2\right)$

结合商用软件CST微波工作室的参数扫描，得到仅有单个尺寸谐振单元的超材料近红外吸波材料的最优吸收曲线。同时根据入射端口和出射端口得到的参数S₁₁(ω)和S₂₁(ω)，从而计算出阻抗值。

如图4所示，在吸收波段内，阻抗值的实部接近于1，和自由空间可以实现很好的阻抗匹配，将反射率降低，获得很高的吸收率。

如图3、图5所示，通过仿真结算结果能够看出，该超材料吸波材料能够在164.2THz到345.2THz(对应于869.1nm to 1827.0nm)之间获得90％以上的吸收率。在模拟多角度入射吸收时发现，本发明中设计的吸波结构不依赖于入射角度，入射角为70度的时候，依然可以保持高吸收率和大带宽。

步骤2.通过改变单元结构的周期和钛的谐振圆盘的尺寸，调节对应的吸收频率。将多个不同尺寸的谐振圆盘水平地放入一个单元内，使不同的谐振圆盘对应的吸收谱线叠加，若不同的谐振圆盘对应的吸收频率相邻，则能够进一步拓宽吸波频带。

如图6所示单元周期为1000nm，谐振圆盘的尺寸分别为d2＝300nm和d1＝480nm，底层金膜，二氧化硅隔离层和最上层钛圆盘的厚度保持不变，分别为100nm，160nm和30nm。如图7所示，多尺寸谐振圆盘吸波材料能够在150THz到385THz(对应波长779.2nm到2000nm)之间获得超过90％的吸收率。

本发明中的设计方法不但可以实现已有的大带宽吸收效果，还可以通过改变参数来获得其他频率电磁波的宽带高性能吸收；同时可以将更多不同尺寸的谐振单元集成在一个单元内，进一步提高吸收带宽。

Claims (2)

1.一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.根据有效介质理论，超材料近红外吸波材料的性能由磁导率μ和介电系数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Z，均与磁导率μ和介电系数ε相关；

反射率R(ω)和透射率T(ω)均和S参数有关，其中R(ω)＝│S₁₁(ω)│²，T(ω)＝│S₂₁(ω)│²；

通过商用软件CST微波工作室仿真计算得到S参数，仿真时采用频域计算模式，TEM电磁波正入射到周期性单元结构上表面；周期性单元结构在x和y方向为周期性分布，并将其设置为周期性边界条件；

近红外吸波材料吸收率A(ω)通过以下公式(1)得到：

A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)＝1-│S₂₁(ω)│²-│S₁₁(ω)│²    (1)

通过S参数，得到近红外吸波材料的等效波阻抗Z：

$Z=\sqrt{{\left((1+S_{11}\right)}^2-S_{21}^2/{\left((1-S_{11}\right)}^2-S_{21}^2}---\left(2\right)$

结合商用软件CST微波工作室的参数扫描，得到仅有单个尺寸谐振单元的超材料近红外吸波材料的最优吸收曲线，同时根据入射端口和出射端口得到的参数S₁₁(ω)和S₂₁(ω)，从而计算出等效波阻抗Z；

步骤2.通过改变单元结构的周期和钛的谐振圆盘的尺寸，调节对应的吸收频率，并将多个不同尺寸的谐振圆盘水平地放入一个单元内，使不同的谐振圆盘对应的吸收谱线叠加，若不同的谐振圆盘对应的吸收频率相邻，则能够进一步拓宽吸波频带。

2.如权利要求1所述的一种大带宽强吸收超材料近红外吸波材料的设计方法，其特征在于所述的超材料近红外吸波材料由周期性单元结构组成，周期性单元结构设置在底层上，底层是连续的金膜，厚度为100nm；顶层是钛的谐振圆盘；底层金膜和顶层谐振圆盘之间是电介质隔离层，电介质隔离层由二氧化硅构成，厚度为160nm；每个周期性单元结构由三层结构组成，每一层结构的厚度都远小于其工作波长。