CN116505255A - 具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩，通过在金属薄膜上刻蚀上不同尺寸的亚波长(0.01‑2倍波长)开孔阵列结构，激发表面等离子体，形成对特定波长光的表面等离子体增强透光效果，同时调控大气窗口红外透射峰的移动，达到对不同波段的电磁波滤波的效果，并且金属薄膜上除了开孔结构外的金属部分形成连续的导电结构对电磁波的启到屏蔽效果，在此同时，该天线防护罩还包括在金属薄膜一侧表面上镀制有厚度为0.1‑0.6um的石英薄膜，使其能够基于谐振腔特性实现在红外响应波段内的吸收效果，并且通过对其厚度的不同选择以实现窄带吸收波段和吸收通道数量的可调，使得天线防护罩应用场景更为宽泛，并且起到更好的防护效果。
Description
技术领域
本申请涉及电磁防护技术领域，特别是涉及一种具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩。
背景技术
光电探测系统正向着微型化、高精度、智能化的方向发展。随着应用的深入，频带资源逐渐陷入贫乏，不同设备之间的信号干扰愈加明显。作为其眼睛的光窗口而言，实现红外高透过与超宽带电磁屏蔽功能必不可少。与此同时，复杂的应用场景和环境，愈加推动其朝着多功能化、集成化和可控化的趋势发展。其中，电磁屏蔽技术是通过合理的电磁屏蔽手段来减小电磁干扰及带来的危害，目的在于利用屏蔽材料或手段阻隔或衰弱被保护区域与外界的电磁信号传播。滤波片作为一种光学频率选择器件，可通过特定波长的电磁波，达到滤波和吸波的作用。其结构形式有网栅结构和多层膜系结构等，称之为传统型频率选择器件。
通常网栅型结构会存在红外透过率与电磁屏蔽性能之间相互制约的关系，很难实现红外透过率与微波屏蔽效能的兼容性；另外，基于网栅型结构的电磁屏蔽材料具有高通滤波特性，因此会带来屏蔽带宽受限等问题；同样的，多层膜系结构则存在结构整体膜系厚度过大和膜系间的粘合不牢导致不同材料的膜层间容易脱落等问题。因此针对传统型金属或介质滤波片的上述局限性，亟需开发新的材料或结构使其兼顾红外高透过和高屏蔽性能，同时还具备超宽带和结构简易性等特征。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对红外光进行高透过，对超宽电磁进行屏蔽的同时还可以在红外响应波段内的窄带进行吸收效果的具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩。
一种具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩，包括：金属薄膜，以及镀制在所述金属薄膜一侧表面的透明薄膜；
所述金属薄膜上设置有多个周期性排列的透光单元，各所述透光单元为贯穿所述金属薄膜厚度方向，尺寸为亚波长的圆形开孔结构，各所述圆形开孔结构均具有相同的尺寸，所述连续导电结构为所述金属薄膜上除了所述透光单元其余的金属部分；
所述金属薄膜的厚度为0.1um；
所述透明薄膜采用石英材料，其厚度为0.1-0.6um。
在其中一实施例中，各所述透光单元的半径为1.4um。
在其中一实施例中，各所述透光单元中心之间的距离为3um。
在其中一实施例中，所述金属薄膜采用金材料。
上述具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩，通过在金属薄膜上刻蚀上不同尺寸的亚波长(0.01-2倍波长)开孔阵列结构，激发表面等离子体，形成对特定波长光的表面等离子体增强透光效果，同时调控大气窗口红外透射峰的移动，达到对不同波段的电磁波滤波的效果，并且金属薄膜上除了开孔结构外的金属部分形成连续的导电结构对电磁波的启到屏蔽效果，在此同时，该天线防护罩还包括在金属薄膜一侧表面上镀制有厚度为0.1-0.6um的石英薄膜，使其能够基于谐振腔特性实现在红外响应波段内的吸收效果，并且通过对其厚度的不同选择以实现窄带吸收波段和吸收通道数量的可调，使得本发明的中的天线防护罩应用场景更为宽泛，并且起到更好的防护效果。
附图说明
图1为其中一实施例中天线防护罩的结构示意图；
图2为其中一实施例中天线防护罩的不同圆孔半径的透过率谱图；
图3为实施例1中天线防护罩在3-5um波段内石英薄膜厚度为0.1-0.3um参数情况下的透过率谱图；
图4为实施例2中天线防护罩在3-5um波段内石英薄膜厚度为0.4-0.6um参数情况下的透过率谱图；
图5为实施例1和2中天线防护罩在雷达波段1-18GHz波段的屏蔽效能图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在其中一实施例中，如图1所示，本申请提供了一种具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩，包括：金属薄膜1，以及镀制在金属薄膜一侧表面的透明薄膜2。
进一步的，金属薄膜1上设置有多个周期性排列的透光单元3，各透光单元3为贯穿所述金属薄膜厚度方向，尺寸为亚波长的圆形开孔结构，各圆形开孔结构均具有相同的尺寸，连续导电结构为金属薄膜1上除了透光单元3其余的金属部分。其中，金属薄膜1的厚度h1为0.1um，透明薄膜2采用石英材料，其厚度h1为0.1-0.6um。
在本实施例中，通过在金属薄膜1上刻蚀上尺寸不同的亚波长(0.01-2倍波长)开孔阵列结构，以激发表面等离子体，形成对特定波长光的表面等离子体增强透光效果。由于该表面等离子体结构简单且中心对称，对具有不同偏振方向的入射电磁波均能实现透光。同时刻蚀掉开孔区后剩余金属形成连续导电构成超宽频屏蔽层，在雷达波段1-18GHz波段实现高达41dB的屏蔽效能，而在现有技术中，能够达到该效果的天线防护罩大多都是采用的网栅和多层膜系结构的器件，很难实现红外透过率与微波屏蔽效能的兼容性，和整体膜系厚度过大和膜系间的粘合不牢导致不同材料的膜层间容易脱落等问题。而本申请的天线防护罩具有尺寸小，易集成等优势，且微纳结构的分辨率更高、成像效果更佳，使得该天线防护罩适用于多种情况下对天线启到防护作用。在满足表面等离子体透波前提下，金属薄膜开孔面积比例越低，对天线防护罩提升屏蔽效能有利，且更利于结构的稳定性。且该器件对透光波段的透过率不低于30％。
在本实施例中，各透光单元的半径均为1.4um，各透光单元中心之间的距离为3um，这样的透光单元尺寸以形成对3-5um波长光的表面等离子体增强透光效果。
而本申请中的天线防护罩，还在金属薄膜1的一侧表面上镀制有透明薄膜2，使得该天线防护罩可以基于谐振腔特性在3-5um波长的红外响应波段内对特定的窄带光实现吸收，以达到屏蔽该窄带光的效果，并基于对透明薄膜2厚度的选择，对窄带吸收波段和吸收通道数量实现可调制，这样一来，增加了该天线防护罩的应用场景，可以针对特定的防护场景在可透过的红外光中对某一个或者某几个窄波段的红外光进行屏蔽。
在本实施例中，透明薄膜2采用石英，其厚度在0.1-0.6um之间，在光学薄膜领域，石英作为常用的增透薄膜材料，在可见光-中红外波段具有良好的光学透过性，且环境稳定性好。基于干涉理论，电磁波在石英薄膜的内部上下面之间不断进行反射叠加，达到谐振后使得部分能量得到增强，部分能量得到减弱，从而形成谐振腔特性，进一步地实现频选功能。通过在具有微纳结构的金薄膜表面镀制一层石英薄膜，即意味着在金薄膜高透过的功能上，再一次增加窄带的吸收功能。
具体的，在天线防护罩上的金属薄膜1刻蚀掉开孔区后剩余金属形成连续导电结构构成超宽频屏蔽层，其金属薄膜的材料可分别针对短波、中波、长波等红外波段的滤波效果采用金、银、铝等金属材料。
在本实施例中，金属薄膜1采用金材料。
在这里需要说明是的，金属薄膜1上的开孔结构的形状，除了选择圆形还可以根据天线防护罩的应用场景选择其他形状，例如矩形、三角形等。开孔结构采用圆形对于具有不同偏振方向的入射电磁波可以将入射光的偏振特性对其透光特性的影响降至最低，其圆形孔结构的半径小于透光单元边长的一半。同时可通过调节开孔结构的尺寸以便捷的实现天线防护罩的透波段调节。在相邻透光单元中心点之间的距离在3um范围内时，其圆形开孔结构半径R为1.0-1.4um。
接下来，针对透明薄膜厚度与窄带吸收波段以及窄带吸收通道数量的关系进行的仿真实现，仿真实验采用CST Studio软件实现。具体实验环境参数设置为：根据Floquet定理，使用周期性边界条件，则在实际的CST Studio计算中只需考虑研究对象的一个周期单元结构。这样处理不但可以有效降低计算时间，而且还可以得到单元结构的电磁场分布。因此，单元结构X、Y边界设置为周期性边界条件，Z边界设置为开放边界条件。此外，采用自由电子气Drude模型对金材料进行描述，具体参数为：ωp＝1.374e16 rad/s，γ＝4.08e13rad/s，ε∞＝1。石英材料选用CST软件材料库中样品。
电磁波从透明薄膜2方向垂直入射到透光单元3时，本文中天线防护罩处于工作状态。具体实验中，可以通过调整石英薄膜的厚度参数，实现红外波段3-5um范围内的吸收谷位置及数量可调的效果，同时针对雷达波段1-18GHz进行电磁屏蔽。如图2所示，当天线防护罩中没有镀制石英薄膜2时，对比了具有不同半径r的金属薄膜1在3-5um波段的透过率，结果表明当r为1.4um时的透光效果最好，达到0.9以上。因此在以下的实施例中均采用的圆孔微纳结构半径r均为1.4um，周期为P为3um。
实施例一
如图3所示，在该实施例中天线防护罩采用石英薄膜2的厚度h2分别为0.10um、0.12um、0.14um、0.16um、0.18um、0.20um、0.22um、0.24um、0.26um、0.28um、0.30um；金属薄膜厚度h1为0.1um；透光单元3的半径r为1.4um；相邻透光单元中心点之间的距离为3um；
通过调整石英薄膜2的厚度h2，如图3所示，通过在金属圆孔结构薄膜表面镀制不同厚度h2的透明石英材料，整体示意图如图1中插图所示，随着透明石英材料厚度h2的增加，在红外波段3-5μm范围内出现一个窄带吸收谷。值得注意的是，该吸收谷随着厚度的增加，其谷的中心位置发生移动。该波段范围内吸收谷的出现，使得中红外波段的激光器防护得到解决，比如中红外化学激光器、中红外气体激光器、基于稀土离子或其他金属离子掺杂的激光器、量子级联半导体激光器以及基于非线性光学频率变换技术的中红外激光器等。
实施例二
如图4所示，天线防护罩采用石英薄膜2的厚度h2分别为0.40um、0.42um、0.44um、0.46um、0.48um、0.50um、0.52um、0.54um、0.56um、0.58um、0.60um；金属薄膜1厚度h1为0.1um；圆形透光单元3的半径r为1.4um；相邻透光单元中心点之间的距离P为3um。
通过调整石英薄膜2的厚度h2，如图4所示，通过在图3的基础上，继续增加透明石英材料薄膜的厚度h2，结果发现吸收谷的数量增加，形成多通道的响应模式。但是整体的透过率有所降低。同时，在新激发出的吸收谷(Valley II)的半宽峰(Full width at halfmaximum,FWHM)越大，不利于窄带的吸收。
综上所述，在以上两个实施例中，相同参数下还具备了针对雷达波段1-18GHz波段实现高达41dB的屏蔽效果，即金属薄膜厚度h1为0.1um；透光单元3的半径r为1.4um；相邻透光单元中心点之间的距离为3um；透明石英材料薄膜的厚度h2分别为0.1um和0.4um。电磁屏蔽效能图如图5所示，由于金属薄膜厚度和微纳结构没有发生变化，所以在透明薄膜厚度分别为0.1um和0.4um时电磁屏蔽效能一致，即透明薄膜不影响电磁屏蔽功能。
上述具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩通过在金属薄膜上刻蚀不同尺寸的亚波长(0.01-2倍波长)开孔阵列结构，激发表面等离子体，形成对红外波段3-5um波长光的表面等离子体增强透光效果，同时，刻蚀掉开孔区后剩余金属形成连续导电结构构成超宽频屏蔽层，在雷达波段1-18GHz波段实现高达41dB的屏蔽效能。最后，通过在金属薄膜表面镀制一层透明石英薄膜材料，利用其谐振腔效果在3-5um波段内形成吸收谷，并通过对厚度进行优化，使其实现吸收谷位置和数量的可调功能，使得本文中的天线防护罩可以利用在更多的应用场景中，并可以针对多种不同的特殊场景进行特定防护。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.具有窄带光吸收的高能激光/微波一体化防护天线罩，其特征在于，包括：金属薄膜，以及镀制在所述金属薄膜一侧表面的透明薄膜；
所述金属薄膜上设置有多个周期性排列的透光单元，各所述透光单元为贯穿所述金属薄膜厚度方向，尺寸为亚波长的圆形开孔结构，各所述圆形开孔结构均具有相同的尺寸，所述连续导电结构为所述金属薄膜上除了所述透光单元其余的金属部分；
所述金属薄膜的厚度为0.1um；
所述透明薄膜采用石英材料，其厚度为0.1-0.6um。
2.根据权利要求1所述的红外高透过电磁屏蔽天线防护罩，其特征在于，各所述透光单元的半径为1.4um。
3.根据权利要求2所述的红外高透过电磁屏蔽天线防护罩，其特征在于，各所述透光单元中心之间的距离为3um。
4.根据权利要求3所述的红外高透过电磁屏蔽天线防护罩，其特征在于，所述金属薄膜采用金材料。
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