CN113219566B - 偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，包括：宽带吸收金属周期阵列结构、中间介质层和偏振响应金属周期阵列结构。电磁辐射从宽带吸收金属周期阵列结构进入，偏振响应金属周期阵列结构厚度大于其金属材料在目标波段的趋附深度，表现为TE偏振敏感响应；或电磁辐射从偏振响应金属周期阵列结构进入，表现为TM偏振敏感响应。可以在长波红外范围实现超宽带偏振吸收响应。由于偏振效应好，宽带吸收效率高，结构简单为设计宽带偏振敏感吸收器开辟了一条新的设计思路。当与面阵偏振探测系统相结合时，可以不再使用偏振片等光学元件就实现红外偏振探测，避免偏振片与成像单元之间对准问题所产生的像差，简化了光学系统，提高了成像质量。

Description

偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器

技术领域

本发明涉及宽带响应偏振敏感超材料吸收器及红外探测技术领域，具体涉及一种偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器。

背景技术

偏振敏感吸收器不但能收集强度信息和相位信息而且能够采集偏振信息。利用偏振信息来实现探测的偏振成像是一种将偏振测量与图像处理相结合的新探测技术，通过测量目标辐射和反射的偏振度和偏振角信息，能够在复杂的自然背景中区分出有用信息。与传统的强度图像和红外热图像相比，红外偏振成像不仅能够有效识别传统强度成像无法或难以分辨的低对比度目标，而且受外界环境影响小，能够突显出目标物体的轮廓特征，在空间遥感、矿物勘探、医学诊断、伪装识别、等领域有着传统技术不具备的优势。 常规的面阵偏振探测系统是通过在成像单元上集成偏振片来采集偏振信息。但是偏振片对于设置角度极度敏感，这样不可避免的会降低探测的响应效率。

对于红外探测系统，长波红外主要用于常温物体轮廓探测，当存在杂散辐射或靠近热源的情况下具有较强的侦查能力。宽带响应意味着能够吸收辐射在器件表面的所有目标波段的电磁频率。因此拓宽吸收器带宽以覆盖长波红外波段是非常重要的，可以进一步提高探测识别能力。传统吸收器实现宽带响应的方法是利用复合结构或是多层堆积，这样不可避免的提高了加工技术难度。因此设计一种结构简单又能实现宽带偏振吸收响应的吸收器对于优化红外偏振探测性能具有重要意义。

本专利拟设计一种宽带偏振敏感超材料吸收器，可以在长波红外范围实现宽带偏振吸收响应。不同于传统的超材料吸收器，底层只起到防止透射的作用，而是赋予其功能性，实现宽带吸收或是偏振响应。利用图形的不对称性实现对入射光的偏振响应，通过不同共振模式的耦合作用，利用简单结构实现宽波段吸收。将这种偏振敏感的宽带吸收器与面阵偏振探测系统相结合，可以不再使用偏振片等光学元件就实现红外偏振探测，避免了由于偏振片与成像单元之间由于对准问题所产生的像差，既简化了光学系统，又提高了成像质量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有偏振探测系统结构复杂，响应效率低，加工工艺难度大问题，本发明提供一种偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，包括：宽带吸收金属周期阵列结构3、中间介质层2和偏振响应金属周期阵列结构1。

电磁辐射从宽带吸收金属周期阵列结构3入射，偏振响应金属周期阵列结构1厚度大于其金属材料在目标波段的趋附深度，表现为TE偏振敏感响应；

或电磁辐射从偏振响应金属周期阵列结构1入射，表现为TM偏振敏感响应。

所述的宽带吸收金属周期阵列结构3为方块或圆盘的周期阵列（方块、圆盘、圆环、四角星形、六边形、五边形、十字型、方环、梯形、三角形）；所述的偏振响应金属周期阵列结构1为光栅或矩形周期阵列（光栅、矩形、S形、菱形、沙漏形、椭圆形、L形、矩形孔洞、椭圆形孔洞、L形孔洞）；

吸收器的吸收单元的单元周期P为0.2~5微米；偏振响应金属周期阵列结构1的厚度t₁为0.1~4.5微米；中间介质层厚度t₂为0.1~1.8微米；宽带吸收金属周期阵列结构3厚度t₃为0.02~1.1微米。

所述的偏振响应金属周期阵列结构1为光栅，宽度W为0.2~2.0微米；所述的宽带吸收金属周期阵列结构3为金属方块，边长a为0.2~2.0微米。

所述的金属周期阵列结构的材料为钛、铬、镍、金、银、铜、钨或铝，或它们的化合物。

所述的中间介质层2的材料为锗、硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硫化锌、硒化锌、磷化铟、氟化镁或氟化钙。

本发明提供了偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，包括：宽带吸收金属周期阵列结构3、中间介质层2和偏振响应金属周期阵列结构1。

与传统的超材料吸收器不同，这里将底部金属层设计成微纳结构并赋予其功能性，以实现偏振响应或是宽带吸收。基于法布里-珀罗共振，介质增透膜、金属材料趋肤深度以及电磁超材料等理论对结构的尺寸大小进行设计并获得了偏振敏感宽带超材料吸收器。

当光栅结构置于顶层，则利用其宽带透射响应来实现宽带偏振敏感吸收；而当光栅结构位于底层，则由于其对入射辐射的偏振反射作用实现宽带敏感吸收。两种不同的设置，实现的偏振响应也是不同的，一种是TM偏振敏感而另一种则是TE偏振敏感。

由于光栅可以近似为一维结构，具有极强的不对称性，因此吸收器的偏振性能好，消光效率高。至于宽带吸收响应，利用简单的结构通过耦合不同共振机制从而去拓宽带宽，既实现了目标波段的超宽谱吸收，又简化了器件结构降低了加工工艺难度。

本发明的有益效果是：

设计发明了一种长波红外宽带偏振敏感超材料吸收器，可以在长波红外范围实现宽带偏振吸收响应。由于其偏振效应好，宽带吸收效率高，结构简单为设计宽带偏振敏感吸收器开辟了一条新的设计思路。当与面阵偏振探测系统相结合时，可以不再使用偏振片等光学元件就实现红外偏振探测，避免了由于偏振片与成像单元之间由于对准问题所产生的像差，既简化了光学系统，又提高了成像质量。

附图说明

图1为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器的单元结构的示意图；

图2为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器的单元结构剖面图；

图3为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器的偏振吸收响应示意图；

图 4为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器另一种实施方式的单元结构的示意图；

图 5为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器另一种实施方式的单元结构的剖面图；

图 6为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器另一种实施方式的偏振吸收响应示意图；

图7为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器中可以实现宽带响应的金属周期阵列结构；

图8 为本发明的偏振敏感宽带响应红外超材料吸收器中可以实现偏振响应的金属周期阵列结构。

具体实施方式

为了能够更加清楚地阐述上述中本发明的目的、意义、特征和优势，下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于，包括：宽带吸收金属周期阵列结构3、中间介质层2和偏振响应金属周期阵列结构1；

电磁辐射从宽带吸收金属周期阵列结构3入射，偏振响应金属周期阵列结构1厚度大于目标波段的趋附深度，表现为TE偏振敏感响应；

或电磁辐射从偏振响应金属周期阵列结构1入射，表现为TM偏振敏感响应。

所述的宽带吸收金属周期阵列结构3为方块或圆盘的周期阵列（方块、圆盘、圆环、四角星形、六边形、五边形、十字型、方环、梯形、三角形）；所述的偏振响应金属周期阵列结构1为光栅或矩形周期阵列（光栅、矩形、S形、菱形、沙漏形、椭圆形、L形、矩形孔洞、椭圆形孔洞、L形孔洞）。

本发明中所述下基板中具有长波红外波段吸收功能的超材料结构由顶层金属/金属化合物，中间介质层，底层金属/金属化合物构成。可选用的顶层金属/金属化合物材料包括：钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、 金(Au)、银(Ag)、铜(Cu) 、钨(W) 、铝(Al)或它们的化合物；可选用的介质层材料包括：锗(Ge)、硅(Si)、二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氮氧化硅(SiON)、 硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、磷化铟(InP)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(GaF₂)等材料；可选用的底层金属/金属化合物包括：钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钨(W) 、铝(Al)或它们的化合物。

作为实施例，每个吸收单元的结构尺寸参数如下：单元周期P为0.2~5微米；金属光栅的厚度t₁为0.1~4.5微米；金属光栅的宽度W为0.2~2.0微米；中间介质层厚度t₂为0.1~1.8微米；金属方块边长a为0.2~2.0微米；金属方块厚度t₃为0.02~1.1微米。

对于TM 偏振敏感超材料吸收器，如图1、2；本实施方式中它是一种三层结构，顶层为光栅，底层为方块，中间为介质层。对于光栅结构的设计应考虑具有宽带偏振透射性能，当入射辐射照射在超材料吸收器上时，首先要进行偏振选择让特定偏振方向的光透过上层光栅形成宽带透射响应，而与之偏振方向垂直的光被反射掉。光栅的尺寸设计一方面要满足阻抗匹配条件，使超材料吸收器结构的有效阻抗与自由空间阻抗相匹配，另一方面形成类似介质增透膜，使设计的光学反射系数在反射区产生相消干涉从而增强透射率。超材料的特征尺寸远小于入射波长，因此可视为均匀材质，其有效电磁特性可由单元的结构和材质决定。

假设光栅结构在x方向表现为介质特性而在y和z方向表现为金属特性，则光栅结构的有效介电常数的实部 而 。有效介电常数可以通过求解Bloch 波动方程得到。Bloch波数K, 光栅周期P和波数k_1x和k_2x之间的离散关系由下式给出：

其中K为Bloch传播常数在x方向的值，

和

分别为金属钛和空气的介电常数。当传播方向延z轴时，Bloch波矢K为0。则

和

可表示为：

综上，结构的有效介电常数可表示为

。并且为了增强宽带透射响应，要激发法布里-珀罗腔干涉效应，对于光栅高度的设计要与透射响应波长存在约为1/4倍关系。

不同于传统三层超材料结构底部为连续金属层主要是为了阻断入射的电磁波穿透吸波体，这里对于底层结构的设计不再是单一的防止光透射，而是赋予其功能性——实现宽带吸收。由于等离激元固有的窄带响应，实现宽带吸收仍然是一个挑战。目前，利用超材料吸收器实现宽带吸收的方法主要有三种。第一种是在水平面上设置不同尺寸的元件，第二种是垂直放置元件或多层膜层，最后一种是集成不同元件。然而，它们都不可避免地增加了结构的复杂性和制作工艺的难度。利用简单的结构设计通过耦合不同的共振模式实现宽带吸收是一种更加合理的设计。这里将底层结构设计为薄的方块结构，通过不同的等离激元共振模式相互耦合作用产生宽带吸收响应，将顶层透过的偏振光损耗掉。

至于中间介质层，一方面是为入射的电磁波提供吸收空间，另一方面则是为了满足超材料吸收器结构的电磁设计。在实际设计中，一般会尽可能选用折射率大的材料，这样可以减小介质层的厚度，使整体结构小型化，参考响应的长波红外波段。

如图3所示，在不同偏振光的作用下，超材料吸收器的吸收光谱呈现出宽带偏振敏感特征，偏振角度由0°增加到90°，随着偏振角度的增加，宽带吸收响应逐渐减小。吸收响应和偏振角呈现类似单调递减关系，即共振波长处的吸收率和平均吸收率（8～12μm）随着偏振角度的增大而单调减小。由于该偏振响应特性，通过调节入射辐射的偏振角度可以调控该设计的宽带吸收。

对于TE偏振敏感超材料吸收器，与TM偏振敏感超材料吸收器设计不同，如图4、5；本实施方式中它是一种三层结构，顶层为方块结构，底层为光栅结构，中间为介质层。这里光栅结构位于底层，其有效响应不再是宽带透射而是反射。当入射辐射照射到光栅结构上，将反射特定方向的偏振光，而与之垂直方向的偏振光则被透射掉，从而实现偏振选择的功能。被反射的光将进入超材料结构内部，在介质层内由于激发了等离激元共振响应而被损耗掉，实现宽带吸收。由于光栅主要起到反射作用，因此对于其高度的设计无需满足于响应波长的约为1/4倍关系。但是在对于金属材料来说存在一个重要的参数——趋附深度，其可以表达为：

其中，

为金属电导率，

为磁导率，

为响应频率。因此在某一频率下当金属板的厚度大于其趋附深度时，则该频率的电磁波的传输将被阻断，无法通过该金属板，即透射率为零。光栅的高度设计要大于金属在长波红外波段的最大趋肤深度。

至于顶层结构，设计为薄的金属方块。当入射辐射照射在超材料吸收器上时，由于结构设计满足阻抗匹配条件，入射的电磁波尽可能多的进入到吸波体结构内部。由底层反射的特定偏振方向的光在超材料内部激发出了不同类型的等离激元共振模式，由于不同共振模式之间相互耦合作用，实现了宽带偏振敏感吸收。

如图6所示，在不同偏振光的作用下，超材料吸收器的吸收光谱呈现出宽带偏振敏感特征。与TM偏振敏感超材料吸收器的偏振响应正好相反，当偏振角度由0°增加到90°时，宽带吸收响应随着偏振角度的增加逐渐增大。吸收响应和偏振角呈现类似单调递增关系，即共振波长处的吸收率和平均吸收率（8～12μm）随着偏振角度的增大而单调递增。由于该偏振响应特性，通过调节入射辐射的偏振角度可以调控该设计的宽带吸收。

如图7所示，在偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器中，实现宽带吸收响应的金属周期阵列结构，其图形可以是多种几何形状。

如图8所示，在偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器中，实现偏振响应的金属周期阵列结构，其图形可以是多种几何形状或是孔洞结构。

本发明为解决现有长波红外偏振敏感宽带响应吸收器在结构和性能上的不足，基于超材料结构设计，提出了一种基于方块结构和光栅结构的偏振敏感宽带超材料吸收器。与传统的超材料吸收器不同，将底部金属层设计成微纳结构并赋予其功能性，以实现偏振响应或是宽带吸收。基于法布里-珀罗共振，介质增透膜、金属材料趋肤深度以及电磁超材料等理论对结构的尺寸大小进行设计并获得了偏振敏感宽带超材料吸收器。 本发明结构简单，响应带宽覆盖长波红外波段，偏振性能好，为实现宽带偏振吸收开辟了一条途径，在热探测和成像领域具有广阔的应用前景。本发明在红外偏振探测系统中可以与面阵偏振探测技术有效结合，不利用偏振片等器件就能实现偏振信息的采集从而实现偏振探测，有效避免了由于偏振片与成像单元间的对准问题所产生的误差，简化了光学系统设计，提高了探测识别能力。

Claims (6)

1.偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于，它包括：宽带吸收金属周期阵列结构（3）、中间介质层（2）和偏振响应金属周期阵列结构（1）；

所述的宽带吸收金属周期阵列结构（3）为方块、圆盘、圆环、四角星形、六边形、五边形、十字型、方环、梯形或三角形周期阵列；所述的偏振响应金属周期阵列结构（1）为光栅、矩形、S形、菱形、沙漏形、椭圆形、L形、矩形孔洞、椭圆形孔洞或L形孔洞周期阵列。

2.根据权利要求1所述的偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于：电磁辐射从宽带吸收金属周期阵列结构（3）入射，偏振响应金属周期阵列结构（1）厚度大于目标波段的趋附深度，表现为TE偏振敏感响应；

或电磁辐射从偏振响应金属周期阵列结构（1）入射，表现为TM偏振敏感响应。

3.根据权利要求1或2所述的偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于：吸收器的吸收单元的单元周期P为0.2~5微米；偏振响应金属周期阵列结构（1）的厚度t₁为0.1~4.5微米；中间介质层厚度t₂为0.1~1.8微米；宽带吸收金属周期阵列结构（3）厚度t₃为0.02~1.1微米。

4.根据权利要求3所述的偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于：所述的偏振响应金属周期阵列结构（1）为光栅，宽度W为0.2~2.0微米；所述的宽带吸收金属周期阵列结构（3）为金属方块，边长a为0.2~2.0微米。

5.根据权利要求4所述的偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于：所述的金属周期阵列结构的材料为钛、铬、镍、金、银、铜、钨或铝，或它们的化合物。

6.根据权利要求5所述的偏振敏感宽带响应长波红外超材料吸收器，其特征在于：所述的中间介质层（2）的材料为锗、硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硫化锌、硒化锌、磷化铟、氟化镁或氟化钙。

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