一种红外多波段极化不敏感超材料吸波器的制作方法

本申请涉及红外波段吸波材料技术领域，例如涉及一种红外多波段极化不敏感超材料吸波器。

背景技术

吸波材料在电磁屏蔽、探测及隐身材料等领域都得到了广泛应用。传统吸波材料包括铁氧体、金属铁粉、碳化硅、导电纤维等，具有吸收强的特点，但也存在吸波频带窄、密度大等缺点。近年来，基于超材料的新型吸波材料的相关研究引起了人们的广泛关注。这是因为超材料是一种由人工设计的复合材料，具有很强的结构依赖性，人们可以“量需定制”，通过改变超材料的结构来实现所需要的电磁特性。与传统的吸波材料相比，超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻、电磁参数可设计等优点，具有更重要的应用前景。目前研究的超材料吸波器一般只在一个频段范围具有较好的吸收特性，并且往往针对某一种极化方式具有吸收特性，而另一种极化方式没有吸收，或吸收不一致。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提出一种红外多波段极化不敏感超材料吸波器，由多个基本单元在同一平面上沿横向及纵向二维周期排列而成；其中，每个基本单元包括三层，从上至下依次为贴片层、介质层和金属层。

附图说明

图1a为本发明实施例的基本单元结构示意图；

图1b为本发明实施例的红外多波段极化不敏感超材料吸波器结构示意图；

图2为本发明实施例在x极化和y极化的平面波沿z轴正向入射时的吸收率示意图。

具体实施方式

为使本申请的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本发明实施例进行详细说明。

本发明实施例提出一种红外多波段极化不敏感超材料吸波器，可以在近红外波段实现与偏振无关的多波段极化不敏感的吸波效果，且器件尺寸小，设计简单，易于加工。

所述吸波器是由多个基本单元在同一平面上沿横向及纵向二维周期排列而成。每个基本单元包括三层，从上至下依次为贴片层、介质层和金属层。所述贴片层由若干三角形、正方形和挖孔正方形的金属贴片对称排列而成，材料为金、银和铝等金属材料，厚度为0.1um～0.5um；介质层为有机高分子聚合薄膜材料，厚度在10um～100um之间；金属层的材料为金或银等，厚度大于其趋肤深度。

所述吸波器的制备方法举例如下：使用石英玻璃或硅等作为基底固定结构，总尺寸与吸波器的实际尺寸相同，厚度通常在300um～1mm之间。实际加工时，先在基底上镀上一层金属薄膜，然后采用化学或物理方法在其上形成介质层；在介质层上按照设计的贴片形状、数目和周期数，通过化学沉积的方法，形成金属贴片层。

工作在近红外波段时，所述吸波器的工作过程举例如下：

首先，创建xyz坐标系，吸波器在xy平面周期性排列，z轴垂直于吸波器表面。

当平面电磁波沿z轴垂直入射到吸波器表面时，由于超材料的谐振作用，在工作波段内吸波器表面与自由空间实现阻抗匹配，反射近乎为零。同时由于金属层底板的存在，传输为零，大部分波被消耗在结构内部，转化为热能或其他形式的能量，从而实现了吸收的效果。

所述吸波器能够在近红外波段实现对波的多波段的较宽带吸收，通过合理设置参数，在142～159thz、193～200thz及233～245thz三个波段内均可实现超过80％的吸波效果。

另外，由于使用对称设计，因此对x方向和y方向偏振的平面波都具有完全相同的吸波性能，在入射波极化方式改变时，无需更换器件，具有泛用性。

再有，由于采用周期性结构，因此在结构上简单紧凑，便于大规模集成。

作为实施例，本发明实施例提供的红外多波段极化不敏感超材料吸波器，是由多个基本单元在同一平面上沿横向及纵向二维周期排列而成。如图1a所示，所述吸波器可以由三层结构构成，从上至下依次为贴片层1、介质层2以及金属层3。

在实施例中，模型周期由p表示，即基本单元上表面的边长；所述贴片层由若干三角形、正方形和挖孔正方形的金属贴片对称排列而成，材料为金、银和铝等金属材料，其厚度为t1；大、中、小三种正方形贴片的边长分别为l1、l3、l5，其中大、中两种正方形贴片分别在中央挖去了边长为l2、l4的正方形孔洞，三角形贴片可以视为小正方形贴片的平移截断；所有贴片均匀分布在介质层表面，并沿对角线对称；介质层使用高分子聚合物，例如选取聚酰亚胺，对应介电常数为3.1，损耗角正切为0.01，厚度为t2；金属层厚度为t3。示例性地，p＝4um，t1＝0.1um，t2＝1.85um，t3＝0.1um，l1＝1um，l2＝0.4um，l3＝0.4um，l4＝0.2um，l5＝0.5um。

在红外波段，金的介电常数可表示为：

其中，ω是角频率，ωp是等离子体频率，ωc是碰撞频率。

作为实施例，所述等离子体频率ωp＝2π×2175×10¹²rad/s，碰撞频率ωc＝2π×6.5×10¹²rad/s。

选取5×5个基本单元，在xy平面沿横向及纵向二维周期排列，所构成的吸波器如图1b所示。利用电磁仿真软件可以获得所述吸波器在平面波沿z轴正向入射时的吸收率曲线图，如图2所示，其中划线和点线分别代表了x极化和y极化下的吸收曲线，可见两种极化下对应的吸收曲线完全相同，实现了极化不敏感的吸收效果。

可见，所述吸波器可以在142～159thz、193～200thz及233～245thz三个频带内实现超过80％的多波段吸波效果，其相对吸收带宽分别为11.3％，8.7％和5％。由于所设计的吸波器沿对角线对称，因此，所述吸波器对x方向和y方向偏振的平面波都具有完全相同的吸波性能，具有极化不敏感特性，从而当入射波极化方式改变时，无需更换器件，具有泛用性。另外，由于结构简单紧凑，因此可以大规模集成，对红外多波段传输器件的发展具有重要指导意义和参考价值。

本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下或者这些细节有变化的情况下实施本发明实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。