一种基于电磁感应透明的红外超增强收集天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种基于电磁感应透明的红外超增强收 集天线。
【背景技术】
[0002] 数十年来，在军事应用的牵引及推动下，红外光电技术得到快速发展，目前该技术 正朝着高性能红外探测方向发展，设计各种不同天线结构是提高红外探测器性能的有效方 法。然而，在发展高性能红外光子天线时，天线电极间距由于工作波长的增大而进一步增 大，在载流子迀移率不变的条件下，电极间距的增大将导致光敏材料光生载流子渡越时间 的延长、光电导增益与响应率的降低，从而导致光电导探测器性能上的退化。
[0003] 基于表面等离子体谐振的光学天线可以突破衍射极限，实现小尺寸单元响应大面 积辐照的特性，目前已公开的资料中有利用金属表面等离子体谐振产生的焦耳热来实现红 外多普勒信号探测（CN20140455227.5)。光电导探测器通常利用表面等离子体天线的收集 作用，将入射辐射场聚集在天线两端，相邻天线的狭缝处产生明显增强的局域电场（Nano Lett. 14, 3749-3754, 2014)。金属在红外波段的欧姆损耗可严重影响天线的收集效率，同时 该种结构天线仅能对特定偏振方向的红外福射响应，其他偏振态的红外福射则不能被有效 收集，这些都为提升红外天线性能留下了空间。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电磁感应透明的红外超增 强收集天线，旨在解决现有技术中由于红外光子探测器电极间距增大导致的光电探测器性 能退化的技术问题，并且提供偏振无关探测方案。
[0005] 本发明提供了一种基于电磁感应透明的红外超增强收集天线，包括多个周期性阵 列排布的天线单元，所述天线单元包括第一谐振单元和第二谐振单元；所述第一谐振单元 的谐振频率与所述第二谐振单元的谐振频率相同或相近；通过所述第一谐振单元与所述第 二谐振单元之间的耦合作用实现了在红外波段的电磁感应透明现象，在目标频率处实现了 偏振超增强探测，并且发明所提供的方案可以在任意偏振方向实现增强吸收，即偏振无关 探测，提高了对目标频率红外辐射的收集效率。
[0006]更进一步地，所述第二谐振单元包括第一金属杆和第二金属杆，所述第一金属杆 和所述第二金属杆相互平行且沿X轴放置；所述第一谐振单元包括第三金属杆，所述第三 金属杆沿y轴放置且位于所述第一金属杆和所述第二金属杆之间；所述第三金属杆的两端 分别与所述第一金属杆和所述第二金属杆之间留有间隙；所述第一谐振单元与所述第二谐 振单元之间的耦合效率随着该间隙的增大而减小；所述X轴为水平方向，所述 y轴为竖直方 向。
[0007] 更进一步地，所述第一金属杆和所述第二金属杆尺寸相同；所述第一谐振单元和 第二谐振单元的长度范围接近，为0. 5微米~5. 0微米，宽度为0. 1微米~I. 0微米，周期 为0. 6微米~5. 5微米；其中谐振单元的周期是指相邻谐振单元的间距，X轴与y轴方向的 周期可能不同。
[0008] 更进一步地，所述第一金属杆、所述第二金属杆和所述第三金属杆的材料相同；金 属杆的材料为金、银、铜或铝等在红外具有高电导率的金属材料；金属材料与衬底之间镀一 层其他金属材料作为过度黏附层，材料可选择钛、镍等金属材料，厚度为20纳米~30纳米； 两种金属材料组成的天线总厚度为50纳米~200纳米。
[0009] 更进一步地，所述第二谐振单元包括第一金属杆和第二金属杆，所述第一金属杆 和所述第二金属杆相互平行且沿X轴放置；所述第一谐振单元包括第三金属杆和第四金属 杆，所述第三金属杆沿y轴放置且位于所述第一金属杆和所述第二金属杆之间；所述第三 金属杆的两端分别与所述第一金属杆和所述第二金属杆之间留有间隙；所述第四金属杆沿 y轴放置，所述第四金属杆与所述第三金属杆关于所述第二金属杆中心对称；所述第四金 属杆的一端与所述第二金属杆之间留有间隙；所述第一谐振单元与所述第二谐振单元之间 的耦合效率随着该间隙的增大而减小；所述X轴为水平方向，所述y轴为竖直方向。
[0010] 更进一步地，所述第一金属杆和所述第二金属杆的尺寸相同；所述第三金属杆和 所述第四金属杆的尺寸相同；所述第一谐振单元和第二谐振单元的长度为0. 5微米~5. 0 微米，宽度为〇. 1微米~1. 〇微米，周期为〇. 6微米~5. 5微米。
[0011] 更进一步地，所述第一金属杆、所述第二金属杆、所述第三金属杆和所述第四金属 杆的材料相同；所述金属杆的材料可以但不限于是金、银、铜或铝等高电导率的材料。
[0012] 更进一步地，金属材料与衬底之间镀一层其他金属材料作为过度黏附层，材料可 选择钛、镍等金属材料，厚度为20纳米~30纳米；两种金属材料组成的天线总厚度为50纳 米~200纳米。
[0013] 更进一步地，偏振方向沿y轴的红外福射电场入射时，所述第一谐振单元被入射 电场直接激发，其产生的感应电场激发所述第二谐振单元，从而产生电磁感应透明现象；在 电磁感应透明窗口处，入射的红外辐射电场与所述第一谐振单元耦合的能量转移到所述第 二谐振单元上，并在所述第二谐振单元的两端产生局域超增强电场；偏振方向沿X轴的红 外辐射电场入射时，所述第一谐振单元不能被激发，所述第二谐振单元被直接激发，并在其 两端产生局域增强电场；在两种偏振状态下，所述第二谐振单元两端激发局域电场强，辐射 电场偏振方向沿y轴时所激发的电场强度强于辐射电场偏振方向沿X轴时所激发的电场强 度，实现了偏振探测时红外天线的超增强吸收功能和偏振无关探测功能。
[0014] 通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0015] (1)利用电磁波辐射与金属（局域）天线表面等离子体耦合得到极度增强的局域 近场，实现小尺寸光敏元响应大辐照面积的辐射能量、增大光电导增益，提高响应率。
[0016] (2)本发明提供的电磁感应透明红外超增强收集天线能使入射的偏振光能量重新 分布，将能量转移至与入射偏振方向垂直的方向，实现对入射电磁波实现了偏振转换，并且 在该频率的局域电场明显比直接激发的局域电场大，实现了超增强收集。
[0017] (3)本发明提供的电磁感应透明红外超增强收集天线结构在相互垂直的两个方向 上都会产生谐振，改变第一和第二谐振结构的尺寸，可将两个方向的谐振频率调整至相同 或十分相近的频率，实现特定频率红外波的偏振无关探测。
[0018] (4)本发明提供的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线与探测器的金属电极 采用相同材料与制作工艺，这极大的简化了探测器天线部分的加工工艺。
【附图说明】
[0019] 图1本发明实施例提供的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线结构的纵向 剖面示意图；
[0020] 图2本发明实施例提供的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线结构的俯视 示意图；
[0021] 图3本发明的实施例1提供的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线结构示意 图；
[0022] 图4本发明的实施例2提供的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线结构示意 图。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024] 本发明提出的基于电磁感应透明的红外超增强收集天线中，光学天线尺寸一般为 设计波长的1/10至1/5,利用这种光学天线，可以激发起金属表面等离子体谐振效应，突 破光学衍射极限，可有效地消除由于光子探测器电极间距增大所导致的光电导探测器光敏 材料光生载流子渡越时间的延长、光电导增益与响应率的降低等光电导探测器性能上的退 化。电磁感应透明为一种量子效应，采用经典系统可以模拟实现该现象，目前在空间上主 要采用两个谐振频率相近的谐振单元，通过两个谐振单元的互相耦合作用实现电磁感应透 明，两谐振之间形成一个透射峰，称之为电磁感应透明窗口，在电磁感应透明窗口处实现对 入射电磁波的超增强吸收。该天线主要由两部分谐振单元组成，第一谐振单元可直接被入 射电场激发，产生明模式，称之为直接激发部分；第二谐振单元可以被明模式感应激发，产 生暗模式，称之为间接激发部分。
[0025] 本发明提出的电磁感应透明天线的两部分谐振单元的结构可以但并不限于是金 属杆、"工"字形金属杆（以下统称金属杆）。金属结构可以等效为LC回路，其中金属杆等 效为电感L，金属杆之间狭缝等效为电感C，通过该改变金属感的结构参数，可以调整金属 感的谐振频率Uo = lA/ZF )。在红外波段，金属杆的长度范围〇. 5微米~5. 0微米，宽0. 1 微米~I. 0微米，周期0. 6微米~5. 5微米，金属杆的材料可选金、银、铜或错等在红外具 有较高电导率的金属材料，厚度50纳米~200纳米。在天线单元中，第二谐振单元为平行 放置的金属杆，第一谐振单元方向与第二谐振单元方向垂直，置于第二谐振单元平行金属 杆之间；第一谐振单元不与第二谐振单元交叠，两谐振单元的耦合效率随着它们之间的距 离增大而减小；通过数值仿真计算，将两谐振单元的谐振频率设计在相同或者相近频率，利 用两谐振单元的耦合作用，实现红外波段的电磁感应透明现象；在电磁感应透明窗口处，耦 合到直接激发部分的入射电场能量转移到间接激发部分中，使得能量重新分布，被第一谐 振单元捕获的能量都集中在第二谐振单元两端，金属杆阵列之间的狭缝中，实现了对入射 电场偏振的转换；更重要的是，在电磁感应透明窗口的局域电场强度强于直接激发红外天 线产生的局域电场强度，使电磁感应透明红外天线对红外福射的收集能力强于常规红外天 线，实现了红外天线的超增强收集特性。当入射电场偏振方向可以直接激发天线的第二谐 振单元时，不能产生电磁感应透明现象，此时天线的第二谐振单元可作为常规红外天线阵 列，若将由两谐振单元耦合作用产生的电磁感应透明窗口的频率设计到与只有第二谐振单 元被直接激发产生的谐振频率相同或十分相近，则可以在预设的目标频率处实现偏振无关 探测，提高了对目标频率红外辐射的收集效率；其中目标频率为设计人员想要的频率，目标 频率根据两个谐振单元的谐振峰的位置可确定。
[0026] 按照本发明的另一方面，提供了一种基于电磁感应透明的红外超增强收集天线的 制备方法，包括如下步骤：
[0027] (1)在附着有光敏材料的衬底上旋涂负光刻胶；