CN113219567B - 基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器、中间介质层以及底层连续金属层；所述的金属谐振器是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠和竖条（光栅结构），它们相互垂直，横杠至少一端与竖条相连接；金属周期阵列为简单的网格结构，即水平方向的横杠结构以及在垂直方向的光栅结构；本发明不仅具有良好的宽光谱响应和吸收性能，而且具有高度的偏振敏感特性，且结构简单易于加工。

Description

基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器
技术领域
本发明涉及超材料吸收器以及红外探测技术领域，具体涉及一种基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器。
背景技术
吸收器是光学探测系统中的重要组成部分，它在很大程度上决定了探测系统的响应效率。随着等离激元技术的发展，基于等离激元共振的超材料吸收器可以在目标波段获得完美吸收。这对于优化光学探测系统设计起到了重要的作用。根据探测系统不同的需求，吸收器也具有不同的功能性。按照偏振性质区分，分为偏振敏感和偏振不敏感吸收器。相比较而言，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。
宽带吸收响应意味着可以捕获目标波段的所有电磁频率。因此，宽响应波段的偏振敏感吸收器对于实现高性能的偏振探测成像具有重要意义。但由于等离激元共振的窄带响应特性，利用结构简单的吸收器实现宽波段吸收响应仍具有挑战。目前实现宽带吸收的方法主要是在单元内沿水平方向设置不同规格的谐振器或是在垂直方向叠加膜层或是谐振器结构。这样都不可避免地增加了制作工艺的难度。相较于其它波段，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。因此，在长波红外区域，设计一种结构简单的宽带偏振敏感吸收器对于偏振探测技术具有重要意义。
本专利拟设计一种长波红外宽波段偏振敏感超材料吸收器，利用图形的不对称性实现偏振响应。当入射辐射与单元内水平和垂直方向的结构相互作用时，会在不同波长处激发共振响应产生不同的吸收峰，吸收峰互相耦合会得到宽带吸收。通过合理的设计使吸收器在目标波段获得宽光谱吸收以及偏振敏感响应，对于优化红外探测技术，提高成像质量具有重要意义。
发明内容
为了解决现有宽带偏振敏感吸收器结构复杂，加工工艺难度大等问题，本发明提供一种长波红外宽波段偏振敏感吸收器。
基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器1、中间介质层2以及底层连续金属层3；所述的金属谐振器1为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠12和竖条11，它们相互垂直，横杠12至少一端与竖条11相连接；
所述金属单元结构的横杠12连接相邻的两竖条11；横杠12呈不对称设置；
在网格金属周期阵列结构中，金属单元结构呈独立的金属块、半独立半连续的金属块和/或连续的金属块状态；
所述的连续为相邻金属单元结构之间的横杠12与横杠12、竖条11与竖条11或横杠12与竖条11，连续或连接成一体。
所述的金属单元结构的一个横杠12连接前两条相邻竖条11的上部，另一个横杠12连接后两条相邻竖条11的下部；在网格金属周期阵列结构中竖条11均连续，组成垂直方向的光栅结构，所述金属单元结构之间相邻的两条竖条11之间不设横杠12。
所述的金属谐振器1厚度t1为0.05~0.3微米；
所述的介质层2厚度t2为0.1~1.5微米；
所述的连续金属层3的厚度要大于其金属材料在目标波段的趋肤深度；
所述金属谐振器1的金属单元结构，竖条11宽度w1为0.1~1微米；竖条11之间的间距w2为0.1~1微米；横杠12的高度h2为0.03~1.2微米；横杠12距金属单元结构边界h为0.05~0.5微米；两横杠12间距h1为0.2~3微米；两金属单元结构相邻竖条11的间距d为0.1~3微米。
所述金属谐振器1的材料为金属或金属化合物材料，包括：钛、镍、铬、钨、金、铝、银或铜，或它们的化合物。
所述的介质层2材料包括：锗、硅、氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、 硒化锌、硫化锌、氟化镁、氟化钙或磷化铟。
所述的连续金属层3材料包括：钛、镍、铬、钨、金、铝、银或铜，或它们的化合物。
本发明提供的一种基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，包括在水平方向的横杠结构以及在垂直方向的光栅结构，入射辐射与网格结构相互作用在不同波长处激发共振响应产生不同的吸收峰，吸收峰互相耦合得到宽波段偏振敏感吸收，而由于结构中的光栅结构，电场方向与栅条方向相平行的电磁波大部分都被反射掉，而极少的被吸收，而电场方向与栅条方向相垂直的电磁波则可以透过去进入结构内部激发等离激元共振响应从而被吸收，因此产生偏振敏感宽带吸收响应。
当超材料吸收器的底部连续金属层的厚度大于其金属在目标波段的有效趋肤深度，并且结构的有效阻抗收与自由空间的阻抗相匹配时，则会使反射率与透射率减小近乎为零，使吸收率达到最大。等离子体激元在长波红外波段被激发，从而可以引起等离子体共振，将入射的电磁波有效吸收从而在共振波长处实现近乎完美吸收。
由于光栅结构具有极强的不对称性，因此吸收器的偏振性能好，通过简单的网格结构利用响应峰之间相互耦合从而去拓宽带宽，既实现了目标波段的宽光谱吸收，又简化了吸收器结构，从而降低了加工工艺复杂性。
本发明的有益效果是：
设计发明了一种基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，与传统的宽带响应吸收器相比，该吸收器不仅具有良好的宽光谱响应和吸收性能，而且具有高度的偏振敏感特性，且结构简单加工难度低。在长波红外波段展现出了优良的偏振敏感的宽带吸收效果，在偏振探测、成像领域将具有重要应用。
附图说明
图1为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的单元结构的示意图；
图2为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的单元结构立体示意图；
图3为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构示意图；
图4为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的剖视示意图；
图5为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器中可以实现宽带偏振敏感吸收其它结构示意图；
图6为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的结构拆分吸收示意图；
图7为本发明的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器的偏振吸收响应示意图。
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。
实施例1基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器
请参见图1和5，简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器1、中间介质层2以及底层连续金属层3；所述的金属谐振器1为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠12和竖条11，它们相互垂直，横杠12至少一端与竖条11相连接；在组成的网格金属周期阵列结构中横杠12和竖条11均不连续，各金属单元结构之间的横杠12与横杠12、竖条11与竖条11、横杠12与竖条11不接触，见图5a、5b、5c、5e、5h；每个金属单元结构为独立的金属块。
所述金属谐振器1的金属单元结构的材料为金属/金属化合物材料，包括：钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr) 、钨(W) 、金(Au)、铝(Al) 、银(Ag)、铜(Cu)或它们的化合物；可选用的介质层材料包括：锗(Ge)、硅(Si)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)、 硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(GaF2)、磷化铟(InP)等材料；可选用的底层金属/金属化合物包括：钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr) 、钨(W) 、金(Au)、铝(Al) 、银(Ag)、铜(Cu)或它们的化合物；
所述上层金属谐振器1的厚度远小于入射辐射波长。
实施例2基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器
请参见图1和5，简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器1、中间介质层2以及底层连续金属层3；所述的金属谐振器1为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠12和竖条11，它们相互垂直，横杠12至少一端与竖条11相连接；在组成的网格金属周期阵列结构中，各金属单元结构相邻的横杠12不连续，竖条11均连续，在网格金属周期阵列结构中组成垂直方向的光栅结构；每个金属单元结构为半独立的金属块见图1、图5f。
实施例3基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器
请参见图1和5，简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器1、中间介质层2以及底层连续金属层3；所述的金属谐振器1为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠12和竖条11，它们相互垂直，横杠12至少一端与竖条11相连接；在组成的网格金属周期阵列结构中，各金属单元结构之间的横杠12、竖条11均连续，横杠12在网格金属周期阵列结构中组成垂直方向的光栅结构；金属单元结构内水平方向的横杠12连接相邻的竖条11，每个金属单元结构为非独立的金属块见图5g、5i。
实施例4基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器
请参见图1，简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器1、中间介质层2以及底层连续金属层3；所述的金属谐振器1为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠12和竖条11，它们相互垂直；竖条11为3条，横杠12为两个，每一个横杠12连接相邻的两竖条11，呈不对称设置，一个横杠12连接前条竖条11的上部，另一个横杠12连接后两条竖条11的下部；在网格金属周期阵列结构中竖条11均连续，组成垂直方向的光栅结构。
所述的偏振敏感吸收器的结构尺寸参数如下：上层金属谐振器1厚度t1为0.05~0.3微米，厚度远小于入射辐射波长；
所述的中间介质层2厚度t2为0.1~1.5微米；
所述的底部连续金属层3的厚度大于其在目标波段的趋肤深度。
所述的上层金属谐振器1的金属单元结构，其组成的金属光栅的竖条11宽度w1为0.1~1微米；竖条11之间的间距w2为0.1~1微米；横杠12的高度h2为0.03~1.2微米；横杠12距金属单元结构边界h为0.05~0.5微米；两横杠12间距h1为0.2~3微米；两金属单元结构相邻竖条11的间距d为0.1~3微米。
由于光栅结构具有极强的不对称性，因此吸收器的偏振性能好。而金属单元结构内水平方向的横杠结构连接相邻的光栅，在不同波长处激发了共振响应且相互耦合形成宽带吸收响应。实现宽带偏振敏感响应的结构可以是光栅，矩形或是其它具有偏振特性的周期阵列的组合结构。通过复合结构实现宽带吸收响应；宽带吸收响应与入射辐射的偏振角度呈现类似单调递减变化关系，即在长波红外波段吸收率随着偏振角度的增大而减小。
顶层的网格金属周期结构包括在水平方向的横杠结构以及在垂直方向的光栅结构。吸收率可表示为 ,其中为反射率而为透射率。由于底部连续金属层的厚度大于其在目标波段的趋肤深度，阻断了电磁波使其无法透过金属板，因此=0, 透射率可忽略不计。则。提高吸收率则在于设法降低结构对入射电磁波的反射。
如图1所示，本实施方式中它是一种三层结构，顶层为网格型金属周期阵列，底层为连续金属层，中间为介质层。对于顶层金属周期结构的设计首先应考虑阻抗匹配理论，使入射的电磁波可以尽可能多的进入到吸收器结构内部，这是实现完美吸收的先决条件。超材料的特征尺寸远小于入射波长则可视为均匀材质，因此其有效电磁性能可由单元的结构和材质决定。由于吸收器应具有偏振敏感宽带吸收特性，出于偏振性能的考虑则顶层结构应是非对称图形，而为了实现宽带吸收响应考虑采用简单的网格结构，即在水平方向的横杠结构以及在垂直方向的光栅结构。由于光栅可近似为一维结构，因此具有极强的不对称性，这使得吸收器的偏振性能良好。金属单元结构内水平方向的横杠结构连接着相邻的光栅，会在不同波长处激发了共振响应且相互耦合形成宽带吸收。
底层结构主要是为了阻断电磁波使其无法透过金属板而在吸收器结构内部来回反射从而提高吸收率，因此厚度要大于底层材料在目标波段的趋肤深度。至于中间介质层，一般为电介质材料为入射辐射提供吸收空间，并且还要满足吸收器的电磁设计要求。在实际设计中，一般会选取折射率大的材料，以便于减小介质层的厚度，使整体结构小型化。
如图2所示，将网格结构进行拆分，分别给出光栅结构与横杠结构对于特定偏振方向的入射辐射下的吸收情况。这两种拆分结构分别对应一个吸收峰，当这两部分相互结合形成网格结构时，由于耦合机制和等离子体共振效应，吸收峰彼此相互耦合形成宽带响应，且由于耦合模式宽波段响应的吸收强度增强，从而在长波红外区域形成宽带吸收。
图3显示了宽带吸收器在不同偏振角度辐射下的偏振特性，偏振角度以 15°为步长从0°增大到90°。随着偏振角度的增大，宽带吸收响应的吸收率逐渐减小。当偏振角为0°时，共振波长处的吸收率达到最大值接近于1。而当偏振角为90°时，入射辐射大部分被反射，吸收率最小。宽带吸收特性和入射辐射的偏振角度显示出类似单调变化关系，即共振波长处的吸收率和长波红外波段内平均吸收率会随着偏振角度的增大而单调减小。因此，该吸收器具有优良的偏振性能。
如图4所示，在长波红外宽波段偏振敏感吸收器中，实现偏振敏感宽带吸收响应的金属周期阵列结构，其图形可以是其它多种复合结构。
本发明为解决现有长波红外宽波段偏振敏感吸收器在结构和性能上的不足，基于超材料结构设计，提出了一种基于简单网格结构的宽带响应偏振敏感吸收器。利用图形的不对称性实现偏振响应，入射辐射与单元内水平和垂直方向的结构相互作用在不同波长处激发共振响应产生不同的吸收峰，吸收峰互相耦合得到宽波段偏振敏感吸收。基于电磁超材料理论对结构的尺寸和材质进行设计，在长波红外波段获得了偏振敏感的宽带吸收响应。发明结构简单，偏振性能好，宽带响应吸收率高，对于偏振探测技术领域具有重要意义。

Claims (7)

1.基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，它包括：包括上层金属谐振器（1）、中间介质层（2）以及底层连续金属层（3）；所述的金属谐振器（1）为是由金属单元结构组成的网格金属周期阵列结构，具有偏振特性；所述的金属单元结构包括：横杠（12）和竖条（11），它们相互垂直，横杠（12）至少一端与竖条（11）相连接；
所述金属单元结构的横杠（12）连接相邻的两竖条（11）；横杠（12）呈不对称设置。
2.根据权利要求1所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：在网格金属周期阵列结构中，金属单元结构呈独立的金属块、半独立半连续的金属块和/或连续的金属块状态；
所述的连续为相邻金属单元结构之间的横杠（12）与横杠（12）、竖条（11）与竖条（11）或横杠（12）与竖条（11），连续或连接成一体。
3.根据权利要求2所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：一个横杠（12）连接前两条相邻竖条（11）的上部，另一个横杠（12）连接后两条相邻竖条（11）的下部；在网格金属周期阵列结构中竖条（11）均连续，组成垂直方向的光栅结构，所述金属单元结构之间相邻的两条竖条（11）之间不设横杠（12）。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：所述的金属谐振器（1）厚度t1为0.05~0.3微米；
所述的介质层（2）厚度t2为0.1~1.5微米；
所述的连续金属层（3）的厚度大于其金属材料在目标波段的趋肤深度；
所述金属谐振器（1）的金属单元结构，竖条（11）宽度w1为0.1~1微米；竖条（11）之间的间距w2为0.1~1微米；横杠（12）的高度h2为0.03~1.2微米；横杠（12）距金属单元结构边界h为0.05~0.5微米；两横杠（12）间距h1为0.2~3微米；两金属单元结构相邻竖条（11）的间距d为0.1~3微米。
5.根据权利要求4所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：所述金属谐振器（1）的材料为金属或金属化合物材料，包括：钛、镍、铬、钨、金、铝、银或铜，或它们的化合物。
6.根据权利要求5所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：所述的介质层（2）材料包括：锗、硅、氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、硒化锌、硫化锌、氟化镁、氟化钙或磷化铟。
7.根据权利要求6所述的基于简单网格结构的长波红外宽波段偏振敏感吸收器，其特征在于：所述的连续金属层3材料包括：钛、镍、铬、钨、金、铝、银或铜，或它们的化合物。
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