CN107221752A - 一种宽带宽角度极化不敏感的超材料吸波器 - Google Patents

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刘品伟
王岱
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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Abstract

本发明公开了一种宽带宽角度极化不敏感的超材料吸波器，本发明具有宽带、对入射角度以及极化方向不敏感的特性，该基本单元的透射率为0；基本单元在475‑592nm吸收率均大于95％，可达到完美吸波效果；入射角在±50°范围内，吸收率在工作频段均大于80％；可吸收±40°内的TE、TM极化入射波，吸收率在工作频段均大于90％。

Description

一种宽带宽角度极化不敏感的超材料吸波器
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种宽带宽角度极化不敏感的超材料吸波器。
背景技术
吸收材料广泛应用于发达国家的武器系统中，成为军事领域战略竞争的基本要素。例如，发展质量轻、厚度薄、不影响飞行器机动性能的吸收材料；展具有耐高温、耐腐蚀等适应复杂环境的能力，具有较高的可维护性和较长使用寿命的吸收材料；发展能兼容米波、厘米波、毫米波、红外和光频段的宽频吸收材料。传统吸收材料通常具有吸收频带窄、密度大等缺点，因此在应用上受到了较大的限制。
在过去的近20年中，超材料的一系列奇异特性如负折射、完美透镜以及隐身斗篷都得到了广泛关注。超材料的这些特性源自于可以人为地、独立地设计其对外加电磁场的电响应与磁响应。这些超材料的设计对研究新奇的物理现象具有非常重要的科学意义，并且在诸多方面具有实际应用价值。2008年，Landy等提出了一种具有完全吸收特性的超材料吸波器，通过阻抗匹配设计原理，对于入射到该超材料表面的电磁波基本没有反射。同时，尽可能大地设计超材料折射率的虚部，使得电磁波的能量都在材料中被吸收。
目前，很多研究人员已经研究出越来越多种类的超材料吸波器。Yu Qian Ye等人在《Omnidirectional,polarization-insensitive and broadband thin absorber inthe terahertz regime》一文中提出了一种基于三层十字架型金属-介质结构的超材料吸波器，然而，这种超材料吸波器具有十字架结构，制作较为困难，应用波段为THz波段。Jiaming Hao等人在《Nearly total absorption of light and heat generation byplasmonic metamaterials》一文中提出了一种能够实现可见光单一波段吸收的超材料吸波器，结构较为简单，但只能实现对单一波段的吸收。因此，有必要设计一种宽带的、宽角度、工作于可见光波段并对极化不敏感的超材料吸波器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于多层金属-介质结构的超材料吸波器,具有工作于475-592nm波段内的宽带宽角度极化不敏感的特性，适用于对指定波段电磁波进行吸收。
一种吸波器，包括金属基板、介质层以及在介质层中周期性分布的金属板组合；介质层位于金属基板之上；金属板组合包括三层正方形金属板，几何中心在同一条竖直线上，三层金属板从下到上分别定义为第一层、第二层与第三层，金属板边长逐渐变大；第一层金属板位于介质层的表面，第二层和第三层金属板镶嵌在介质层中；介质层采用三氧化二铝，金属基板及三层金属板均采用金属银，第一层金属板的边长取30nm-40nm，第二层金属板的边长取45nm-55nm，第三层金属板的边长取50nm-60nm，第一层金属板与金属基板之间的距离为52nm，第一层与第二层金属板之间的距离、第二层与第三层金属板之间的距离分别为18nm和60nm，金属板组合的分布周期P取240nm-260nm。
金属基板的厚度tm＝100nm。
三层金属板的厚度均为t＝30nm。
本发明具有如下有益效果：
本发明具有宽带、对入射角度以及极化方向不敏感的特性，该基本单元的透射率为0；基本单元在475-592nm吸收率均大于95％，可达到完美吸波效果；入射角在±50°范围内，吸收率在工作频段均大于80％；可吸收±40°内的TE、TM极化入射波，吸收率在工作频段均大于90％。
附图说明
图1是本发明的宽带吸波器的侧视图；
图2是本发明的超材料结构相对于自由空间的特性阻抗参数；
图3是本发明的超材料吸波器具有三层结构、具有第一层与第三层金属板的结构以及具有第二层与第三层金属板的结构的不同吸收情况。
图4为本发明提出的宽带吸波器对入射角分别为0°与50°的TE极化电磁波的吸收率；
图5为本发明提出的宽带吸波器对入射角分别为0°与50°的TM极化电磁波的吸收率；
图6为本发明提出的宽带吸波器对极化角分别为0°与40°的TE极化电磁波的吸收率；
图7为本发明提出的宽带吸波器对入射角分别为0°与40°的TM极化电磁波的吸收率。
其中，1-金属基板，2-介质层，3-金属板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种宽带超材料吸波器，如图1所示，包括金属基板1、介质层2以及包含在介质层2中周期性分布的金属板组合；介质层2位于金属基板1之上；金属板组合包括三层不同边长的正方形金属板3，几何中心在同一条竖直线上，三层金属板3从下到上分别定义为第一层、第二层与第三层，第一层金属板3位于介质层2的表面，第二层和第三层金属板3镶嵌在介质层2中。
介质层2采用三氧化二铝，金属基板1及三层金属板3采用金属银，金属基板1的厚度tm＝100nm，正方形金属板3的边长由下到上依次为W1＝35nm，W2＝50nm，W3＝55nm，金属板3的厚度为t＝30nm，金属板3以及金属基板1之间的距离由下到上依次为t1＝52nm，t2＝18nm，t3＝60nm，金属板组合在介质层2中周期性分布的周期P＝250nm。
对上述吸波器进行特性阻抗的参数提取、吸波率参数的提取；
吸波器在工作频段的特性阻抗参数提取的结果如图2所示，由图2可知，在工作频段内，阻抗实部接近于1，虚部接近于0，表示在工作波段中与空气匹配良好。
对不同金属板3的作用分析见图3，由图3可得，当只含有第一层金属板3与第三层金属板3时，整个结构吸收波段相比于三层金属板3的吸波器结构变为稍窄，但仍为宽带吸收；当只含有第二层金属板3与第三层金属板3时，整个结构吸收波段变为一个吸收尖峰与一个窄带吸收波段，说明第一层金属板3使得吸收谱较为平坦，第二层金属板3对吸收谱进行了展宽，而第三层金属板3与第一、二层相互作用，共同导致了整个吸波器的宽带吸收谱。
不同角度TE模式电磁波入射超材料吸波器吸收率如图3所示。由图4可得，在工作波段内，当入射角为50°时，吸收率仍能保持在80％以上。
不同角度TM模式电磁波入射超材料吸波器吸收率如图4所示。由图5可得，在工作波段内，当入射角为50°时，吸收率仍能保持在80％以上。
不同极化角TE模式电磁波入射超材料吸波器吸收率如图5所示。由图6可得，在工作波段内，当极化角为40°时，吸收率仍能保持在90％以上。
不同极化角TM模式电磁波入射超材料吸波器吸收率如图6所示。由图7可得，在工作波段内，当极化角为40°时，吸收率仍能保持在90％以上。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种吸波器，其特征在于，包括金属基板、介质层以及在介质层中周期性分布的金属板组合；介质层位于金属基板之上；金属板组合包括三层正方形金属板，几何中心在同一条竖直线上，三层金属板从下到上分别定义为第一层、第二层与第三层，金属板边长逐渐变大；第一层金属板位于介质层的表面，第二层和第三层金属板镶嵌在介质层中；介质层采用三氧化二铝，金属基板及三层金属板均采用金属银，第一层金属板的边长取30nm-40nm，第二层金属板的边长取45nm-55nm，第三层金属板的边长取50nm-60nm，第一层金属板与金属基板之间的距离为52nm，第一层与第二层金属板之间的距离、第二层与第三层金属板之间的距离分别为18nm和60nm，金属板组合的分布周期P取240nm-260nm。
2.如权利要求1所述的一种吸波器，其特征在于，金属基板的厚度tm＝100nm。
3.如权利要求1或2所述的一种吸波器，其特征在于，三层金属板的厚度均为t＝30nm。
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