CN113328261B

CN113328261B - 基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器

Info

Publication number: CN113328261B
Application number: CN202110514900.8A
Authority: CN
Inventors: 张龙; 李浩南; 董红星; 张亚强
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: CN113328261A

Abstract

一种基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，自上而下依次为第一透明谐振层、第一透明介质基板、第二透明谐振层、第二透明介质基板和透明反射层。第一透明谐振层和第二透明谐振层分别包含由透明导电材料制成的齿状弯折环阵列和方形环阵列，用于产生宽波段谐振。通过两个谐振层谐振频率互补，实现了良好的宽带吸波性能。本发明在微波波段具有优异的宽带电磁波吸收功能，吸收率可达到90％以上，同时本发明由透明材料制作从而具有光频及红外透明特性，具有很高的应用前景。

Description

基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器

技术领域

本发明涉及电磁波吸收和新型人工电磁材料技术领域，特别是一种基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器。

背景技术

随着无线通讯的发展，电磁污染成为第四大环境污染源。电磁污染不仅会干扰精密仪器和干扰通讯设备，同时也会对人体健康产生潜在的负面影响。而电磁吸波材料可以吸收电磁波，可以广泛应用于电磁兼容领域。同时对于某些特殊领域，电磁吸波材料还需要可见光透明等特性。如：例如高端医疗设备观察窗、精密通讯设备屏蔽元件、超精细监控设备观察窗口、飞行器以及航空武器光学窗、先进光学仪器窗口等。同时也可作为抗电磁污染的透明建筑材料大规模使用。

传统的吸波材料多是通过铁氧体等磁性材料实现吸波，这种传统的吸波材料往往体积大、重量大且不透明。近年来发展的超材料吸波器，为吸波材料提供了新的设计思路。超材料(metamaterial)是一种人工设计的亚波长结构，通过引入电谐振和磁谐振可以大幅地调节介电常数和磁导率，从而实现诸多奇异性质。超材料吸波器具有二维亚波长结构，往往由多层介质组成，包含谐振层、介质层、反射层等。通过各层间的合理排布可以实现完美吸波、超宽带吸波等良好特性。同时通过使用透明材料，透明超材料吸波器也得到了一定的发展。

受限于材料，目前大多透明超材料吸波器存在吸收带宽窄，吸波频段无法覆盖低频等问题，限制了其在应对电磁污染以及精密机械电磁兼容上的灵活应用。

发明内容

本发明的目的是为了实现微波波段的宽波带电磁波吸收，同时兼顾光学波段的透过率，提供一种基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器。本发明的技术解决方案如下：

一种基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特点在于自上而下依次为第一透明谐振层、第一透明介质基板、第二透明谐振层、第二透明介质基板和透明反射层；所述的第一透明谐振层由齿状弯折环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成；所述的第二透明谐振结构是由方形环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成，所述的第一透明谐振层的齿状弯折环为在方形环基础上每个边带有N个向内部的齿状弯折，N为正整数，第二透明谐振层的方形环的线宽w大于环与环之间的间距，即环间距(p-2*w-l)；所述的第一透明谐振层的齿状弯折环的线宽g小于所述的第二透明谐振层的方形环的线宽w；所述的所述的第二透明谐振层的方形环的环间距(p-2*w-l)小于第一透明谐振层的齿状弯折环的环间距(p-s)；所述的透明反射层由透明导电薄膜和透明支撑薄膜共同构成。

所述的的齿状弯折环阵列和方形环阵列由透明导电材料通过光刻、激光剥离或化学蚀刻进行制备。

所述的透明导电材料为氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、石墨烯薄膜、微金属网栅和金属纳米线中的一种或者几种构成。

所述的透明支撑薄膜为透明多聚物，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)中的一种或者几种构成。

所述的透明介质基板的材料为玻璃、氟化物红外玻璃、硫化锌、有机玻璃、透明多聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)中的一种或者几种构成。

各层之间使用光学透明胶粘剂热压成型。

比现有技术本发明的有益效果如下：

与传统的吸波器相比，本发明利用齿状弯折环和方形环的双谐振结构，实现两个谐振层谐振频率互补，利用结构尺寸的限制(即权力要求1中几何参数要求所述)，第一透明谐振层中的谐振单元具有长周长、窄线宽和大的环间距，因此具有大的感性和小的容性。第二透明谐振层中谐振单元具有宽线宽和小的环间距，因此具有小的感性和大的容性。根据等效电路原理，这种组合将会具有较宽的吸波带宽，吸收率可达到90％以上。同时利用材料性能可兼顾光学及红外透过特性。

附图说明

图1是本发明双谐振层宽带超材料吸波器的示意图。

图2是本发明双谐振层宽带超材料吸波器的侧视图。

图3是第一透明谐振层的示意图。

图4是第二透明谐振层的示意图。

图5是本发明中单个结构单元的三维示意图。

图6是本发明中单个结构单元的第一透明谐振层的谐振单元示意图。

图7是本发明中单个结构单元的第二透明谐振层的谐振单元示意图。

图8是本发明双谐振层宽带超材料吸波器在入射电磁波正入射时的吸收率仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种双谐振宽带透明超材料吸波器，包括多个纵向排列的透明层，如图1、图2、图3和图4所示，由图可见，本发明基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，该吸波器的构成自上而下依次为第一透明谐振层1、第一透明介质基板2、第二透明谐振层3、第二透明介质基板4和透明反射层5；所述的第一透明谐振层1由齿状弯折环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成；所述的第二透明谐振结构3是由方形环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成，所述的第一透明谐振层1的齿状弯折环为在方形环基础上每个边带有N个向内部的齿状弯折，N为正整数，第二透明谐振层3的方形环的线宽w大于环与环之间的间距p-2*w-l(周期减去方环的两个线宽和内环宽度，得到的就是环和环之间的距离，环间距)；所述的第一透明谐振层1的齿状弯折环的线宽g小于所述的第二透明谐振层的方形环的线宽w；所述的透明反射层5由透明导电薄膜和透明支撑薄膜共同构成。

单个吸波单元如图5所示。第一透明谐振层1和第二透明谐振层3对应的谐振单元如图6和图7所示。两个谐振层中，透明支撑薄膜所用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，谐振图案为其上沉积的氧化铟锡(ITO)，且谐振结构是通过激光光刻的工艺制备的。所述的第一透明介质基板2和第二透明介质基板4所用材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。所述的透明反射层5同样为带有沉积氧化铟锡(ITO)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。

本发明利用所设计结构通过电磁谐振实现与自由空间的阻抗匹配，进而在宽波段内实现对入射电磁波的吸收作用。第一透明谐振层1，第一介质基板2，第二谐振层3，第二介质基板4和透明反射层5的结构参数(包括材料的种类，尺寸等)都可以调整。材料的介电常数相差30％以内，则可以进行替换，几何参数等比例放大或者缩小可以相应不同波段。

如图5所示，吸波单元为正方形，结构单元的边长为p，第一透明谐振层1的厚度为h₁，第一透明介质基板2厚度为h₂，第二透明谐振层3的厚度为h₃，第二透明介质基板4厚度为h₄，透明反射层厚度为h₅。厚度h1、h3、h4为支撑薄膜厚度，厚度远小于介质基板厚度h₂、h₃。为保证谐振匹配，介质基板厚度趋近相同，h₂、h₃厚度相差小于其厚度的20％。如图6所示，第一透明谐振层1中谐振结构为齿状弯折环，其几何尺寸参数包含线宽g,边长s，齿状弯折深度b,齿状弯折宽度a。为保证第一透明谐振层具有较大感性，设计为了多齿几何结构，齿的数量和几何参数大小需要根据全波仿真结果调整，使得调整后的仿真结果和设计目标最为接近。

如图7所示，第二层谐振层3中谐振结构为方形环，其几何尺寸包含线宽w和内环宽度l。设置第一层透明谐振层1中谐振结构所用材料氧化铟锡(ITO)的方阻为R₁。设置第三层透明谐振层3中谐振结构所用材料氧化铟锡(ITO)的方阻为R₂。设置第五层透明反射层5所用材料氧化铟锡(ITO)的方阻为R₃。

本基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器实施例的各项参数具体设置如下：

p＝10mm，h₁＝0.175mm，h₂＝6mm，h₃＝0.175mm，h₄＝7mm，h₅＝0.175mm，a＝0.6mm，b＝0.8mm，g＝0.3mm，s＝7.2mm，w＝1.5mm，l＝6.6mm，R₁＝15Ω/sq，R₂＝25Ω/sq，R₃＝10Ω/sq。如图8所示，在正入射条件下，本实施例超材料吸波器在2.0-11.4GHz处实现了宽带吸收，吸收率达到了90％以上。针对不同工作波段，结构参数需要进行调整。调整方式为遍历参数，使得全波仿真结果最为接近设计目标。本发明工作在微波波段，参数范围为1mm<p<100mm,h₁<1mm，1mm<h₂<50mm，h₃<1mm，1mm<h₄<50mm，h₅<1mm，a<0.5*p，b<0.5*p，g＝0.3*p，s<p，w<0.5*p，l<p，R₁<100Ω/sq，R₂<100Ω/sq，R₃<30Ω/sq。另外，由于所制备材料是光学透明的，因此该超材料吸波器在可见光甚至近红外波段能够维持较高的光学透过率。

以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受所述实例的限制，实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，可通过对本发明的尺寸进行等比例放大或缩小，可实现在不同波段电磁波的宽带吸收及可调谐吸波性能。在不脱离本发明设计思想和范围前提下，本发明还会有各种变化以及改进，例如技术人员可对上述参数进行修改来适应不同工作波段，或修改相关参数以使其结构、性能与本实例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims

1.一种基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于自上而下依次为第一透明谐振层（1）、第一透明介质基板（2）、第二透明谐振层（3）、第二透明介质基板（4）和透明反射层（5）；所述的第一透明谐振层（1）由齿状弯折环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成；所述的第二透明谐振层（3）是由方形环谐振单元阵列和下部透明支撑薄膜共同构成，所述的第一透明谐振层（1）的齿状弯折环为在方形环基础上每个边带有N个向内部的齿状弯折，N为正整数，第二透明谐振层（3）的方形环的线宽w大于环与环之间的间距，环间距大小为(p-2*w-l)，其中p为周期，w为线宽，l为内环宽度；所述的第一透明谐振层（1）的齿状弯折环的线宽g小于所述的第二透明谐振层的方形环的线宽w；所述的第二透明谐振层的方形环的环间距(p-2*w-l)小于第一透明谐振层的齿状弯折环的环间距(p-s)，其中p为周期，s为齿状弯折环宽度；所述的透明反射层（5）由透明导电薄膜和透明支撑薄膜共同构成。

2.根据权利要求1所述的基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于，所述的的齿状弯折环阵列和方形环阵列由透明导电材料通过光刻、激光剥离或化学蚀刻进行制备。

3.根据权利要求2所述的基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于，所述的透明导电材料为氧化铟锡（ITO）、氧化锌（ZnO）、石墨烯薄膜、微金属网栅和金属纳米线中的一种或者几种构成。

4.根据权利要求1所述的基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于，所述的透明支撑薄膜为透明多聚物，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）中的一种或者几种构成。

5.根据权利要求1所述的基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于，所述的透明介质基板的材料为玻璃和透明多聚物的一种或者几种构成；所述玻璃是氟化物红外玻璃和有机玻璃的一种或者几种构成，透明多聚物是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）中的一种或者几种构成。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于齿状弯折环和方形环的双谐振宽带透明超材料吸波器，其特征在于，各层之间使用光学透明胶粘剂热压成型。