专利名称：中红外10.6μm窄带宽角度的吸波材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及二维平面光子晶体，更具体的说，涉及一种可以在10.6 μ m处实现窄带宽角度且极化无关等吸收特性的metamaterial吸波材料。
背景技术：
随着科学技术的发展，由于电磁设备的日趋增多，电磁波辐射对环境的影响也日益增大，为了治理电磁污染，吸波材料的研究已成为当前科学的一项重大课题。吸波材料是能够吸收辐射到它表面的电磁波能量的一类材料，其在现实生活中具有广泛的应用。比如说，可以通过判断典型病原体在10 μ m周围的吸收特性来用于医学诊断和生物传感；另外，红外吸收特性同样可以用于红外成像，微波暗室等等。—般而言,材料吸收电磁波的基本条件是:(I)电磁波入射到材料表面时，它能够最大限度地进入材料内部，即要求材料具有阻抗匹配特性；(2)进入材料内部的电磁波能够迅速衰减掉，即衰减特性。虽然目前为止人们提出来很多种吸波材料的设计，然而值得注意的是，通常这些设计仅仅考虑了电磁波正入射的条件，却忽略了电磁波斜入射时的极化特性和角度特性，因而在吸收斜入射电磁波时性能不尽如人意。Metamaterial材料是一种人工复合材料，并且具有自然物质不具有的特性，比如说负折射率。大部分的metamaterial材料是由尺寸小于工作波长的周期性的金属结构构成，这种金属结构是在两层金属共振器中间夹杂一层介质材料，利用金属共振器提供电响应，磁响应由介质两侧的反并联电流提供。通常metamaterial材料的吸收特性极易受到入射角度和极化特性的影响，比如 N.1.Landy 等在 Physical Review Letters 上发表的文章《Perfect MetamaterialAbsorber》中提到的结构仅能工作在正入射条件下，当入射波发生倾斜时这种结构的吸收迅速衰减。为了改善metamaterial材料吸收的角度和极化特性，Bingnan Wang等在 Physical Review Letters 上((Wide-angle and polarization-1ndependent chiralmetamaterial absorber》中提到了一种新的结构，它具有极化无关和宽角度的吸收特性，然而这种结构十分复杂，难以应用到中红外波段。在本发明中我们设计了一种结构简单的metamaterial材料,具有窄带宽角度且极化无关的吸收特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对目前现有吸波材料角度特性不良和极化依赖严重的不足，提出一种具有窄带宽角度和极化无关的metamaterial吸收材料。本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种基于平面二维光子晶体的metamaterial吸波材料，其包括三层结构:第一层是十字形的金属钨周期排列阵列；第二层是具有损耗的低折射率聚合物；第三层是一层金属反射层。进一步地，所述第一层金属钨的厚度要小于10.6 μ m红外波对应金属钨的趋肤深度。
进一步地，所述第二层聚合物材料其相对介电常数为2.88+0.09i，损耗角正切tan 6=0.0313进一步地，所述第三层金属的厚度一定要大于本金属在本波段对应地趋肤深度。进一步地，所述第一层十字形金属钨周期排列阵列的周期P为5.2 i! m到5.3 i! m，其十字形长度I为2.71 ii m，宽度w为1.75 ii m。进一步地，所述第二层聚合物材料的厚度为0.35 ii m到0.38 u m。进一步地，所述第三层金属可以采用金、银、铜等高反射的金属材料。进一步地，所述第一层十字形金属鹤贴片的厚度为0.095 V- m到0.105 u m。进一步地，所述第三层金属的厚度应该要大于0.2 ii m。本发明设计了一种metamaterial吸波材料，通过优化其结构参数得到了在
10.6 u m周围宽角度并且极化无关的吸收特性，并且其总体厚度不超过I U m。
图1为本发明metamaterial吸波材料的立体结构示意图和单元结构示意图。图2为本发明metamaterial吸波材料在TE模式下的仿真吸收效果图。图3为本发明metamaterial吸波材料在TM模式下的仿真吸收效果图。
具体实施方式
请参照图1,图1为本发明metamaterial吸波材料的整体结构和单元结构示意图。如图1所示，本发明包括三层结构，其第一层为十字形的金属钨贴片周期性阵列，第二层为介质层，第三层为金属反射层。本发明所采用的材料分别为:第一层采用金属钨，其电磁特性参照EdwardD.Palik 的《Handbook of Optical Constants of Solids》；第二层为一层聚合物，其相对介电常数为2.88+0.09i，损耗角正切tan 6 = 0.0313，第三层为金属反射层，其可选材料包括金、银、铜等红外高反金属材料。为了实现在红外10.6 ii m处的高吸收，本发明通过优化结构参数得到宽角度极化无关的吸收效果。我们得到本发明其相应地结构参数为:十字形金属钨贴片周期性阵列其周期P影响本发明吸收的角度特性，通过参数分析得到本发明最适合的p值为5.2 y m到5.3um ;十字形贴片的长1、宽w影响了共振的谐振频率，为了使吸收峰正好对应共振频率，本发明最合适的I值为2.71 ii m, w值为1.75 ii m ;第一层十字形金属鹤贴片的厚度值在
0.095iim到0.105iim之间；第二层聚合物厚度d对结构的吸收率影响很大，优化结构之后本发明得到最适合d值为0.35 y m到0.38 y m ;第三层金属层作为反射层，其可以增强电磁波在结构之间的相互干涉，因此本发明适应厚度必须要大于红外波段对应的趋肤厚度。图2、3计算了本发明在不同模式下对应的吸收效果。如图2所示，在TE模式下，随着入射角度的变化，虽然本发明的吸收率会相应的发生改变，但是其吸收峰位置基本没有变化。我们可以看出当入射角度小于40°时，本发明对于TE波的吸收率在98%以上，但是当入射角度继续增加时，本发明的吸收特性随之降低。如图3所示，在TM模式下，随着入射角度的变化，本发明所对应的吸收特性图谱。我们可以从图3中无论入射角度如何变化，本发明对于TM波的吸收特性一直都在98%以上，而且吸收峰的位置不发生变化。图2、3证实本发明具有相对理想的吸收效果，其中在对于TM波的吸收接近理想。
权利要求
1.一种基于平面二维光子晶体的metamaterial吸波材料,其特征在于:包括三层结构，即第一层为十字形的金属钨贴片周期性阵列，第二层为介质层，第三层为金属反射层。
2.如权利要求1所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第一层金属鹤贴片的厚度要小于金属钨在此频段对应的趋肤深度，在本发明中金属贴片厚度在0.095 到0.105 y m 之间。
3.如权利要求1所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第二层介质层为聚合物材料，其相对介电常数为2.88+0.09i，损耗角正切为tan 6 = 0.0313 ;第三层金属反射层材料可以选取金、银、铜等红外高反金属。
4.如权利要求2所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:所述的十字形金属鹤贴片其长为2.71 ii m，宽为1.75 u m,其重复周期为5.2 y m到5.3 y m范围内。
5.如权利要求3所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第二层介质层厚度为0.35 u m 到 0.38 u m。
6.如权利要求3所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第三层金属反射层的厚度必须大于此金属在中红外波段的趋肤深度，本发明要求此层厚度要大于0.2 y m。
全文摘要
本发明中红外10.6μm窄带宽角度的吸波材料公开一种基于平面二维光子晶体结构的metamaterial吸波材料，其结构包括三层第一层为十字形的金属钨贴片周期性阵列，第二层为介质层，第三层为金属反射层。通过优化结构参数使得本发明在10.6μm周围具有比较理想的吸收效果，即本发明对入射角度在0°—40°内的TE波吸收率可以达到98%以上，对于入射角度在0—80°内的TM波吸收率可以达到98%以上。
文档编号H01Q17/00GK103199348SQ20131012218
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者纪越峰, 田慧平, 吴南南, 张艳红 申请人:北京邮电大学