一种宽带偏振无关长波红外吸收板的制作方法

本发明属于红外吸收器件，具体涉及一种宽带偏振无关长波红外吸收板。

背景技术：

红外技术对人们生活中各个方面的影响越来越大，红外探测技术在军事领域具有尤其重要的地位。红外吸收率是决定探测器红外响应率的重要性能参数，获得具有结构紧凑、吸收率高的偏振无关红外宽带吸收器是提高探测器性能的重要方法。然而，伴随着工作波长的增大，红外探测器面临着光生载流子渡越时间延长、光电导增益和响应率降低的问题，而利用金属表面等离子体技术实现的红外吸收器(或红外光子天线)结构可有效解决这一问题。

基于超材料结构的吸收器在某个或某些频率范围内可实现偏振无关吸收，公开号CN103675961A的中国专利申请，公开一种双L结构中红外吸收器，可在中、长波红外波段实现双频宽角度吸收，吸收率接近100％。“Wide-angle polarization independent infrared broadband absorbers based on metallic multi-sized disk arrays”(Optics express,2012,20(9):10376-10381.)提供一种多个圆盘阵列组成的红外吸收器，这一设计可在中红外波段实现宽频偏振无关吸收。然而这些结构仅能实现宽带、偏振无关、结构紧凑、吸收率高中的某一或某几个功能，很难兼顾多项指标；因此为红外吸收器性能的整体提升提供了很大的发展空间。

技术实现要素：

本发明提供一种宽带偏振无关长波红外吸收板，解决现有红外吸收器不能够兼顾吸收率、吸收带宽和占空比的缺陷，以能够兼顾宽带、偏振无关且结构紧凑等功能。

本发明所提供的一种宽带偏振无关长波红外吸收板，自下而上依次包括衬底层、底层金属层、介质层和顶层金属层，所述底层金属层为连续金属层，其特征在于：

所述顶层金属层由多个周期性阵列排布的金属图形组构成，各金属图形组的结构相同，分别均由对称性排列的多个金属图形单元构成，各金属图形单元尺寸相近，各金属图形单元连同其垂直投影下的介质层和底层金属层形成谐振单元，调节介质层厚度，使得各谐振单元阻抗与外界环境阻抗相匹配，实现完美吸收。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，所述介质层可以具有与顶层金属层垂直投影相同的图形，且在垂直方向与顶层金属层的图形重合。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其进一步特征在于：

所述金属图形单元包括中心圆盘单元、四角圆盘单元、内层圆弧单元、外层圆弧单元和四角圆弧单元；

所述金属图形组由中心圆盘单元、4个四角圆盘单元、4个内层圆弧单元、4个外层圆弧单元、4个四角圆弧单元构成；

所述中心圆盘单元位于所述金属图形组中心，4个内层圆弧单元分别位于中心圆盘单元的上、下、左、右侧，4个四角圆盘单元分别位于中心圆盘单元的上左、上右、下左、下右侧；4个外层圆弧单元相对于中心圆盘单元分别位于相应内层圆弧单元的外侧，4个四角圆弧单元相对于中心圆盘单元分别位于相应四角圆盘单元的外侧，中心圆盘单元、各四角圆盘单元、内层圆弧单元、外层圆弧单元和四角圆弧单元之间均留有间距，所述间距为0.1微米～10微米；该间距会影响吸收器的吸收率与占空比。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其特征在于：

所述中心圆盘单元和4个四角圆盘单元尺寸相同，直径为0.1微米～5微米；

所述4个内层圆弧单元尺寸相同，均为扇形，内圆直径为0.2微米～8微米，外圆直径为0.4微米～10微米，0.1弧度～1.5弧度；

所述4个外层圆弧单元尺寸相同，均为扇形，内圆直径为0.5微米～12微米，外圆直径为0.6微米～14微米，0.2弧度～1.5弧度；

所述四角圆弧单元尺寸相同，均为扇形，内圆直径为0.8微米～14微米，外圆直径为1微米～16微米，0.2弧度～1.5弧度；

所述金属图形组之间中心间距为1.5微米～55微米。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其特征在于：

所述金属图形单元包括正八边形单元、内层矩形单元、对角正方形单元和外层圆盘单元；

所述金属图形组由正八边形单元、4个内层矩形单元、4个对角正方形单元、8个外层圆盘单元构成；

所述正八边形单元位于所述金属图形组中心，4个内层矩形单元分别位于正八边形单元的上、下、左、右侧，4个对角正方形单元分别位于正八边形单元的上左、上右、下左、下右侧；8个外层圆盘单元相对于正八边形单元分别位于4个内层矩形单元和4个对角正方形单元的外侧，各外层圆盘单元与1个内层矩形单元和1个对角正方形单元相邻；正八边形单元、各内层矩形单元、各对角正方形单元和各外层圆盘单元之间均留有间距，所述间距为0.1微米～10微米。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其特征在于：

所述正八边形单元为正八边形，边长为0.1微米～10微米；

所述4个内层矩形单元尺寸相同，均为矩形，长为0.2微米～10微米，宽为0.1微米～8微米；

所述4个对角正方形单元尺寸相同，均为正方形，长为0.5微米～12微米，宽为0.2微米～11微米；

所述8个外层圆盘单元尺寸相同，均为圆形，直径为0.1微米～10微米；

所述金属图形组之间中心间距为1.5微米～50微米。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其特征在于：

所述衬底层采用硅或蓝宝石材料；

所述底层金属层和顶层金属层采用金、银或铝材料，所述介质层采用硅、氧化硅或氮化硅材料。

为增强底层金属层与衬底层的粘附性，还可在衬底与底层金属间生长一层镍、铬或钛等材料的粘附层。

所述的宽带偏振无关长波红外吸收板，其特征在于：

所述底层金属层和顶层金属层厚度为50纳米～200纳米；所述介质层厚度为0.1微米～5微米。

本发明的制备方法包括如下步骤：

(1)在硅或蓝宝石或其他衬底层上生长一层金属作为底层金属层，可以是金、银、铝或其它在长波红外导电率高的金属；

(2)使用等离子体增强化学气相沉积机或磁控溅射镀膜机在底层金属层上生长硅或氧化硅介质层；

(3)利用电子束曝光机或光刻机将顶层金属层图形曝光在旋有光刻胶的介质层上；

(4)使用电子束蒸发机在介质层上生长金、银或铝等金属作为顶层金属层，该金属与步骤(1)中金属可以相同也可不同；

(5)用去胶液将样品表面光刻胶去除干净；

(6)使用感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀步骤(2)中生长的介质层。

本发明中，顶层金属层由多个周期性阵列排布的金属图形组构成，各金属图形组均由对称性排列的多个金属图形单元构成，各金属图形单元与介质层和底层金属层共同组成谐振单元；入射的红外辐射会激发起金属图形单元表面电流，该表面电流在谐振单元的等效LC谐振回路中被电磁欧姆损耗和介质损耗。调节各所述谐振单元介质层的厚度，使各所述谐振单元阻抗与外界环境阻抗相匹配，使器件的反射为0；再选择足够厚的金属作为底层金属层，使器件的透射为零，器件即可实现对特定波长电磁波的完美吸收；调节金属图形单元尺寸，可调整吸收单元的吸收频率ω各所述谐振单元尺寸相近，其产生的吸收峰峰位也接近，多个尺寸相近的谐振单元同时产生的吸收峰互相叠加，可实现超宽带吸收。各组金属图形组中，多个金属图形单元分别形成的谐振单元具有极高的对称性，可吸收任何偏振方向的入射光，即可实现偏振无关吸收；通过合理放置多个谐振单元，也可实现偏振无关吸收。即所述谐振单元组可吸收任意偏振方向的入射光，实现偏振无关吸收。为实现器件的小型化，利用数值仿真，优化各组所述谐振单元结构及间距，减小各所述谐振单元之间的影响，还可提高谐振单元的吸收率和占空比。

附图说明

图1为实施例1的纵向剖面示意图；

图2为实施例1的俯视图；

图3为实施例1的吸收率仿真结果；

图4为实施例2的纵向剖面示意图；

图5为实施例2的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，本实施例自下而上依次包括衬底层4、底层金属层1、介质层2和顶层金属层3，所述底层金属层为连续金属层；

所述顶层金属层3由多个周期性阵列排布的金属图形组构成，各金属图形组的结构相同，分别均由对称性排列的多个金属图形单元构成，各金属图形单元尺寸相近，各金属图形单元连同其垂直投影下的介质层和底层金属层形成谐振单元，调节介质层厚度，使得各谐振单元阻抗与外界环境阻抗相匹配；

所述衬底层4采用硅材料；

所述底层金属层1和顶层金属层3采用金材料，厚度均为100纳米；所述介质层2采用硅材料，厚度为0.7微米；

如图2所示，所述金属图形单元包括中心圆盘单元31、四角圆盘单元33、内层圆弧单元32、外层圆弧单元34和四角圆弧单元35；

所述金属图形组由中心圆盘单元31、4个四角圆盘单元33、4个内层圆弧单元32、4个外层圆弧单元34和4个四角圆弧单元35构成；

所述中心圆盘单元31位于所述金属图形组中心，4个内层圆弧单元32分别位于中心圆盘单元31的上、下、左、右侧，4个四角圆盘单元33分别位于中心圆盘单元31的上左、上右、下左、下右侧；4个外层圆弧单元34相对于中心圆盘单元31分别位于相应内层圆弧单元32的外侧，4个四角圆弧单元35相对于中心圆盘单元31分别位于相应四角圆盘单元33的外侧，中心圆盘单元31、各四角圆盘单元33、内层圆弧单元32、外层圆弧单元34和四角圆弧单元35之间均留有间距。

本实施例中，所述中心圆盘单元31和4个四角圆盘单元33尺寸相同，直径为1.6微米，所述中心圆盘单元31与4个四角圆盘单元33之间间距为1.05微米；

所述4个内层圆弧单元32尺寸相同，均为扇形，内圆直径为2.6微米，外圆直径为5.6微米，0.73弧度，所述4个内层圆弧单元32与所述中心圆盘单元31之间间距为0.5微米；

所述4个外层圆弧单元34尺寸相同，均为扇形，内圆直径为6.2微米，外圆直径为9.5微米，0.49弧度，所述4个外层圆弧单元34与所述4个内层圆弧单元32间距为0.64微米；

所述4个四角圆弧单元35尺寸相同，均为扇形，内圆直径为9.3微米，外圆直径为12.4微米，0.31弧度，所述4个四角圆弧单元35与所述4个四角单元33间距为1.15微米；

各金属图形组之间中心间距为10.45微米。

本实施例的吸收率仿真结果如图3所示，在8微米至14微米均具有很高的吸收。其中a吸收峰是由所述中心圆盘31和4个四角圆盘33谐振产生，b吸收峰和c吸收峰是由所述4个内层圆弧单元32谐振产生，d吸收峰是由所述4个四角圆弧单元34谐振产生，e吸收峰和f吸收峰是由4个外层圆弧单元35谐振产生。上述各吸收峰频率相近，相互叠加，实现宽带吸收。

实施例2：如图4所示，本实施例自下而上依次包括衬底层4、底层金属层1、介质层2和顶层金属层3，所述底层金属层为连续金属层；

所述顶层金属层3由多个周期性阵列排布的金属图形组构成，各金属图形组的结构相同，分别均由对称性排列的多个金属图形单元构成，各金属图形单元尺寸相近，各金属图形单元连同其垂直投影下的介质层和底层金属层形成谐振单元，调节介质层厚度，使得各谐振单元阻抗与外界环境阻抗相匹配；

所述介质层2具有与顶层金属层3垂直投影相同的图形，且在垂直方向与顶层金属层3的图形重合；

所述衬底层4采用蓝宝石材料；

所述底层金属层1和顶层金属层3采用铝材料，厚度分别为100纳米；所述介质层2采用氧化硅材料，厚度为2微米；

如图5所示，所述金属图形单元包括正八边形单元36、内层矩形单元37、对角正方形单元38和外层圆盘单元39；

所述金属图形组由正八边形单元36、4个内层矩形单元37、4个对角正方形单元38、8个外层圆盘单元39构成；

所述正八边形单元36位于所述金属图形组中心，4个内层矩形单元37分别位于正八边形单元36的上、下、左、右侧，4个对角正方形单元38分别位于正八边形单元36的上左、上右、下左、下右侧；8个外层圆盘单元39相对于正八边形单元36分别位于4个内层矩形单元37和4个对角正方形单元38的外侧，各外层圆盘单元39与1个内层矩形单元37和1个对角正方形单元38相邻；正八边形单元36、各内层矩形单元37、各对角正方形单元38和各外层圆盘单元39之间均留有间距；

本实施例中，所述正八边形单元36为正八边形，边长为1.8微米；

所述4个内层矩形单元37尺寸相同，均为矩形，长为1.5微米，宽为1.4微米，所述4个内层矩形单元37与所述正八边形单元36间距为0.3微米；

所述4个对角正方形单元38尺寸相同，均为矩形，边长为1.4微米，所述4个对角正方形单元38与所述正八边形单元36间距为0.3微米；

所述8个外层圆盘单元39尺寸相同，均为圆形，直径为1.2微米，所述8个外层圆盘单元39的圆心与所述正八边形单元36的距离为1.8微米。

所述各金属图形组之间中心间距为10.45微米。