CN113224540B - 一种抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，涉及超材料技术领域，包括由上到下依次层叠的第一金属图案层、介质层和第二金属反射层，所述的第一金属图案层由整面金属镂去周期性排列的细线图形形成的，所述的细线图形包括正方形、圆形和四边以上的多边形中的一种或两种以上，所述的周期性排列包括正方形排布或六边形排布。本发明解决了现有的太赫兹超材料吸波器技术存在的对红外频段有大量吸收的问题，极大地抑制了红外吸收带来的噪声，对于将太赫兹热吸收型探测器的发展具有重大的意义。

Description

一种抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器

技术领域

本发明属于超材料技术领域，具体地说，是一种抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1THz-10THz的电磁波，频段介于微波和红外波之间。因此，对于太赫兹波的探测往往采用探测微波和探测红外的技术手段。其中，利用探测红外波的方法来探测太赫兹波，就不可避免地会吸收红外波，而红外波作为探测噪声，是太赫兹波吸收型传感器最大的实用化障碍。根据普朗克黑体辐射公式的计算，在室温下，物体发射的红外波的能量可以达到太赫兹波能量的上万倍以上，也就是说不抑制红外的吸收，太赫兹波吸收型传感器就没有实用价值，或者说，这些是红外传感器外带一些太赫兹波的吸收。

超材料是新兴的一种人为设计的具有超常物理特性的电磁材料，其一般具有周期性排列的亚波长结构。由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此对于工作波长可以视为性能均匀的材料，也就可以通过设计人工单元的结构、尺寸、排列方式来控制超材料的电磁特性。近二十年超材料飞快发展，通过对超材料的设计已实现了很多新颖的电磁特性，包括负折射、完美吸波、可调节特性等，其中，这些特性是自然的物质所没有的或难以实现的。

太赫兹吸波器是用于探测太赫兹波的吸收型传感器的关键无源器件，通过太赫兹吸波器对太赫兹波的吸收转化为热，再用传感器上热敏材料就可以将吸收热转化为电信号读出，从而实现对太赫兹波的探测，及可以实现物体的太赫兹成像和频谱分析。

目前，关于太赫兹超材料吸波器的公开设计都存在着在红外波段有大量吸收的事实，不失一般性，如图1所示，为现有技术的缺陷而给出现有技术的仿真结果，对于(a)和(c)的俩种太赫兹超材料的设计，(b)图显示(a)设计在10—30THz红外频谱段有大量的吸收，(d)图显示(c)设计在10—30THz红外频谱段也有大量的吸收。因此，亟待需要一种抑制红外波吸收的吸波器。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种抑制红外波吸收的太赫兹电磁吸波器，解决了现有的太赫兹超材料吸波器技术存在的对红外频段有大量吸收的问题，极大地抑制了红外吸收带来的噪声，对于将太赫兹热吸收型探测器的发展具有重大的意义。。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种抑制红外波吸收的太赫兹电磁吸收器，包括第一金属图案层，介质层和第二金属反射层；所述的第一金属图案层，介质层和第二金属反射层从上往下依次排列；所述第一金属图案层由多个细窄的缝隙线分割出多个图案，多个图案呈周期性排列，实现抑制红外波吸收的同时能够对太赫兹波窄带吸收。

所述第一金属图案层位于所述的介质层的上端并与所述介质层接触。

所述第二金属反射层位于所述的介质层的下端并与所述介质层接触。

所述第一金属图案层的图案主要由整面金属镂去周期性的细线图形后形成。

可选地，所述周期性排列为：每个重复单元的细线图形与重复单元的边重合，构成对所述第一金属图案层的划分。

可选地，所述细线的宽度为0.01um～0.3um。

可选地，所述细线图形为方形、封闭或未封闭的圆形和与之形状相近的四边以上的多边形中的一种或两种以上，所述的圆形的半径为4um～40um，进一步可选，所述的圆形的半径为8.7um，

所述多边形为六边形时，所述六边形的边长为1.5um～15um；

所述细线图形的二维排布方式为正方形排列和/或六边形排列。所述细线图形的二维排列方式为六边形排列，邻近圆心的间距为8.5um～85um，进一步可选，邻近圆心的间距为20um。

可选地，所述第一金属图案层的图案在细线图形外可以增添孔洞或短线,这些可增删的冗余图形提高了加工工艺的容错率。

可选地，所述的第一金属图案层的材质包括金、铜和铝中的一种或两种以上，第一金属图案层的厚度h1为0.01um～0.4um，进一步可选，所述第一金属图案层由金或铜制成，，

所述第二金属反射层的材质包括金、铜或和铝中的一种或两种以上，第二金属反射层的厚度h3为0.3um以上，进一步可选，第二金属反射层由金或铜制成。第二金属反射层厚度h3为0.3um～50um。

可选地，所述介质层在材质为硅和/或聚酰亚胺，介质层的厚度h2为0.5um～20um。

进一步可选地，所述第一金属图案层厚度h1为0.1um，所述介质层厚度h2为4.8um，所述第二金属反射层厚度h3为3um。

可选地，加工所述的第一金属图案层的工艺可以是离子束刻蚀或光刻。

如上所述，本发明提供了一种抑制红外波吸收的太赫兹电磁吸收器，通过第一金属图案层、介质层和第二金属反射层构成太赫兹电磁吸收器。第一金属图案层位于介质层的上端并与介质层接触，第二金属反射层位于介质层的下端并与介质层接触，使得本发明形成的太赫兹超材料吸收器是一种构型简单的金属谐振器-介质-金属底板结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明通过尽量保留一整面金属作为第一金属图案层的方式，达到了抑制红外波吸收的效果；

2)本发明通过构造细线图形的方式，在第一金属图案层形成六边形排列的圆形图案，由此达到对太赫兹波的频率有选择性地吸收；

3)本发明还优化了结构参数，确定了最优的结构参数以达到更好的吸收率；本发明在基本的细线图形外，出现一些孔洞或短线对吸收频谱的影响较小，在加工上具有很高的鲁棒性。

附图说明

图1(a)是现有技术回字图案的太赫兹超材料吸波器设计；

图1(b)是图1(a)设计的吸收频谱；

图1(c)是现有技术叠加三层十字图案的太赫兹超材料吸波器设计；

图1(d)是图1(c)设计的吸收频谱；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明实施例1周期单元的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例3周期单元的俯视结构示意图；

图5是实施例1在太赫兹波段的吸收频谱图；

图6是实施例1在中远红外波段的吸收频谱图；

图7是实施例2在太赫兹波段和中远红外波段的吸收频谱图；

图8是实施例3在太赫兹波段和中远红外波段的吸收频谱图。

附图标记：

1、第一金属图案层；2、介质层；3、第二金属反射层；4、细线图形。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局方式也可以更加复杂。本说明书所附图式展示的结构、比例、大小等，都是用于配合说明书所揭示的内容，来供熟悉此技术的人士了解与阅读，而不是限定本发明可实施的限定条件，所以对于不具技术的实质意义的任何结构上的修饰、形状的拉伸、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用词，也仅为叙述的方便，而非用来限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当看作本发明可实施的范畴。

实施例1

一种抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器，如图2和3所示，包括第一金属图案层1、介质层2和第二金属反射层3。第一金属图案层1位于介质层2的上端并与介质层2接触，第二金属反射层3位于介质层2的下端并与介质层2接触。第一金属图案层1上的图案是由整面金属镂去细线图形4后形成的，细线图形4是外圈半径r＝8.7um的圆形，细线的宽度为d＝0.2um，细线图形4的排列方式是六边形排布，周期单元的宽度a＝20um，周期单元的长度b＝34.6um。第一金属图案层1由金或铜制成，第二金属反射层3由金或铜制成，介质层2由硅制成。第一金属图案层1的厚度h1＝0.1um，介质层2的厚度h2＝4.8um，第二金属反射层3的厚度h3＝3um。该抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器在太赫兹波段的特征吸收峰位于2.36THz，在12THz～50THz的中远红外波段范围内的吸收率均抑制在3％的以下，相较于其他现有技术实现太赫兹超材料吸波器难免出现的90％的红外吸收峰，该抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器抑制了红外噪声1～2个数量级，有很好的抑制红外波吸收效果，如图5和图6所示。

实施例2

实施例2与实施例1的区别仅在于，所述的介质层2的材质为聚酰亚胺，所述的部分参数作了调整。调整的参数分别介质层2的厚度h2＝1.15um。得到的抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器在太赫兹波段的特征双吸收峰位于4.3THz和11.2THz，如图7所示。

实施例3

一种抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器，图4所示，包括第一金属图案层1、介质层2和第二金属反射层3。第一金属图案层1位于介质层2的上端并与介质层2接触，第二金属反射层3位于介质层2的下端并与介质层2接触。第一金属图案层1上的图案是由整面金属镂去细线图形后形成的，上述细线图形是边长L＝6.7um的正六边形，细线的宽度为d＝0.2um。第一金属图案层1由金或铜制成，第二金属反射层3由金或铜制成，介质层2由硅制成。第一金属图案层1的厚度h1＝0.2um，介质层2的厚度h2＝0.9um，第二金属反射层3的厚度h3＝3um。该抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器在太赫兹波段的特征吸收峰位于2.1THz，如图8所示，在红外波段的吸收抑制效果较好，在加工工艺上，实施例3的直线段相比圆形更易于实现，从而更易加工。

综上所述，本发明提供了抑制红外波吸收的太赫兹超材料吸波器对于抑制红外吸收的设计方法。传统的设计思路先确定了太赫兹吸收频谱结构，由于没有抑制红外吸收的设计，不可避免地在整数倍数频率上即红外波段也产生大量吸收。而本发明通过优先考虑抑制红外吸收的问题，在第一金属图案层保留尽量多的金属部分，然后再考虑太赫兹吸收的设计，通过优化参数的方法，从而实现对需要的频率高吸收的能力而又兼顾了对抑制红外吸收的需求。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：包括由上往下依次层叠的第一金属图案层(1)、介质层(2)和第二金属反射层(3)；所述的第一金属图案层(1)由整面金属镂去周期性排列的细线图形后形成；所述的细线图形包括圆形或六边形；所述的细线图形的宽度为0.01um～0.3um；

所述的圆形的半径为4um～40um；

所述细线图形的二维排列方式为六边形排列，邻近圆心的间距为8.5um～85um。

2.根据权利要求1所述的抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述周期性排列为：每个重复单元的细线图形与重复单元的边重合，构成对所述第一金属图案层(1)的划分。

3.根据权利要求1所述的抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述第一金属图案层(1)的图案还包括在细线图形外增添孔洞或短线。

4.根据权利要求1所述的抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述第一金属图案层(1)的材质包括金、铜和铝中的一种或两种以上，第一金属图案层(1)的厚度h1为0.01um～0.4um。

5.根据权利要求1所述的抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述介质层(2)的材质为聚酰亚胺和/或硅，介质层(2)的厚度h2为0.5um～20um。

6.根据权利要求1所述的抑制红外吸收的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述第二金属反射层(3)的材质包括金、铜和铝中的一种或两种以上，第二金属反射层(3)的厚度h3为0.3um以上。

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