CN115561845A - 一种光波段宽带超材料吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波段宽带超材料吸波体，该吸波体包括M×N个单元，其中，M、N均为大于等于2的正整数；每个单元由十字形镂空的Ti3C2Tx谐振层、介质层和金属底板组成；本发明提供的光波段宽带超材料吸波体在非常大的波长范围内吸收率达到99％，即实现完美吸收，且在该波长范围内吸收带呈平顶特性。此外，本发明提供的吸波体的周期对加工误差具有较高的容忍度。
Description
技术领域
本发明涉及电磁超材料及光通信器件技术领域，特别是涉及一种光波段宽带超材料吸波体。
背景技术
作为电磁吸波体的一种新兴类型，超材料吸波体以紧凑和较薄的结构可以实现完美吸收(达到99％、接近于100％的吸收率)，因此成为研究热点而备受关注。然而，由于其固有的谐振工作机制，超材料吸波体的吸收带宽很窄。虽然研究者发展了一些方法，如使用多个或多层谐振器以及功能材料，来拓展超材料吸波体的带宽，但目前报道的宽带超材料吸波体一般是指吸收率超过90％的吸收频带，并不是在宽的频率或波长范围实现完美吸收。实际上，可以实现完美吸收即吸收率达到99％的吸收频带仍然较窄。
基于上述问题，如何设计或实现在较宽的频率或波长范围达到完美吸收的超材料吸波体仍然是一个挑战，成为本领域亟需解决的问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光波段宽带超材料吸波体,其特征在于：所述吸波体为周期性结构，包括M×N个单元，相邻单元无间距，M、N均为大于等于2的正整数；
所述单元为三层结构；沿着波入射方向，依次为谐振层、介质层和金属底板；
所述各层的横截面均为正方形；所述谐振层的中心与所述介质层和金属底板的中心的连线垂直于所述谐振层、所述介质层和金属底板；
所述谐振层的材料为二维材料Ti3C2Tx；
所述谐振层由图案构成；所述介质层和金属底板为无图案的一整层材料；
所述谐振层图案为在正方形中心设有十字型镂空。
可选的，所述谐振层的厚度为30-60nm。
可选的，所述介质层的材料为硅、二氧化硅或三氧化二铝中的任意一种，厚度为100-120nm，介电常数为2-2.3。
可选的，所述金属底板的材料为金或银中的任意一种，厚度为50-70nm。
可选的，所述单元的边长为400-600nm。
可选的，所述十字型镂空的长度为300-500nm，宽度为50-100nm
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种光波段宽带超材料吸波体(MA)，在645-974nm的波长范围内吸收率超过90％，在730-901nm的波长范围吸收率超过99％从而达到完美吸收；在730-901nm的波长范围吸收率超过99％，而且在该范围内吸收率基本保持不变，吸收带呈平顶特性；在改变超材料吸波体的周期即单元边长，吸收率基本保持不变，即周期对加工误差的容忍度较高；所述超材料吸波体对TE和TM模式下的偏振角不敏感。
附图说明
图1为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的结构示意图；
图2为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的侧视图；
图3为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的谐振层结构；
图4为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体的吸收性能曲线图；
图5为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体的在不同周期时的吸收性能曲线图；
图6为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体的TE模式下的不同极化角下的吸收性能曲线图；
图7为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体的TM模式下的不同极化角下的吸收性能曲线图。
其中，1、谐振层，2、介质层，3、金属底板，4、十字型镂空。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的结构示意图，图2为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的侧视图。如图1和图2所示，本发明实施例所述吸波体的单元为三层结构，分别为谐振层1、介质层2和金属底板3。每一层的横截面均为正方形。谐振层1的中心与介质层2和金属底板3的中心的连线垂直于谐振层1、所述介质层2和金属底板3。在本实施例中，谐振层1的材料为二维材料Ti3C2Tx，厚度t1为30nm；介质层2的材料为二氧化硅，其厚度t2为100nm，其介电常数为2.216；金属底板3的材料为金，其厚度h3为70nm。谐振层1由图案构成；所述介质层2和金属底板3为无图案的一整层材料。
图3为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体单个单元的谐振层1结构。如图3所示，所述谐振层1的团案为在正方形中心设有十字型镂空4。在本实施例中，单个单元的边长P即吸波体的周期为400nm；所述十字型镂空4的长度l为300nm，宽度w为50nm。
图4为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体的吸收性能曲线图。如图所示，该吸波体在645-974nm的波长范围内吸收率在90％以上；在730-901nm的波长范围内，吸收率达到或超过99％，即实现完美吸收。另外，在在730-901nm的波长范围内，吸收率基本保持不变，吸收带呈平顶特性。
图5为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体在不同的周期即单元边长时的吸收性能曲线图。参见图5，该吸波体的周期在400-600nm变化时，吸收率基本保持不变，即周期对加工误差具有较高的容忍度。
图6为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体TE模式下不同极化角度下的吸收性能曲线图。图7为本发明实施例光波段宽带超材料吸波体TM模式下不同极化角度下的吸收率性能曲线图；参见图6和图7，本发明所述超材料吸波体对于不同的极化角度具有不敏感性，也就是说本发明所述超材料吸波体是极化不敏感的，即对不同极化的电磁波具有稳定的吸收率。
本实施例中的光波段宽带超材料吸波体，在645-974nm的波长范围内吸收率超过90％，在730-901nm的波长范围内吸收率超过99％。即达到了完美吸收；在730-901nm的波长范围内吸收率基本保持不变，在该波长范围内吸收带呈平顶特性；改变其周期即单元边长，吸收率基本保持不变，因此周期对加工误差具有较高的容忍度；此外，该吸波体在TE和TM模式下具有极化角不敏感特性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种光波段宽带超材料吸波体，其特征在于：所述吸波体为周期性结构，包括M×N个单元，相邻单元无间距，M、N均为大于等于2的正整数；
所述单元为三层结构，沿着波入射方向，依次为谐振层、介质层和金属底板；
所述各层的横截面均为正方形；所述谐振层的中心与所述介质层和金属底板的中心的连线垂直于所述谐振层、所述介质层和金属底板；
所述谐振层的材料为二维材料Ti3C2Tx；
所述谐振层由图案构成；所述介质层和金属底板为无图案的一整层材料；
所述谐振层图案为在正方形中心设有十字型镂空。
2.根据权利要求1所述光波段宽带超材料吸波体，其特征在于，所述谐振层的厚度为30-60nm。
3.根据权利要求1所述光波段宽带超材料吸波体，其特征在于，所述介质层的材料为硅、二氧化硅或三氧化二铝中的任意一种，厚度为100-120nm，介电常数为2-2.3。
4.根据权利要求1所述的光波段宽带超材料吸波体，其特征在于，所述金属底板的材料为金或银中的任意一种，厚度为50-70nm。
5.根据权利要求1所述的光波段宽带超材料吸波体，其特征在于，所述单元的边长为400-600nm。
6.根据权利要求1所述的光波段宽带超材料吸波体，其特征在于，所述十字型镂空的长度为300-500nm，宽度为50-100nm。
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