專利名稱：中紅外10.6μm窄帶寬角度的吸波材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維平面光子晶體，更具體的說，涉及一種可以在10.6 μ m處實(shí)現(xiàn)窄帶寬角度且極化無關(guān)等吸收特性的metamaterial吸波材料。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于電磁設(shè)備的日趨增多，電磁波輻射對環(huán)境的影響也日益增大，為了治理電磁污染，吸波材料的研究已成為當(dāng)前科學(xué)的一項(xiàng)重大課題。吸波材料是能夠吸收輻射到它表面的電磁波能量的一類材料，其在現(xiàn)實(shí)生活中具有廣泛的應(yīng)用。比如說，可以通過判斷典型病原體在10 μ m周圍的吸收特性來用于醫(yī)學(xué)診斷和生物傳感；另外，紅外吸收特性同樣可以用于紅外成像，微波暗室等等?！愣?材料吸收電磁波的基本條件是:(I)電磁波入射到材料表面時(shí)，它能夠最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，即要求材料具有阻抗匹配特性；(2)進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能夠迅速衰減掉，即衰減特性。雖然目前為止人們提出來很多種吸波材料的設(shè)計(jì)，然而值得注意的是，通常這些設(shè)計(jì)僅僅考慮了電磁波正入射的條件，卻忽略了電磁波斜入射時(shí)的極化特性和角度特性，因而在吸收斜入射電磁波時(shí)性能不盡如人意。Metamaterial材料是一種人工復(fù)合材料，并且具有自然物質(zhì)不具有的特性，比如說負(fù)折射率。大部分的metamaterial材料是由尺寸小于工作波長的周期性的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這種金屬結(jié)構(gòu)是在兩層金屬共振器中間夾雜一層介質(zhì)材料，利用金屬共振器提供電響應(yīng)，磁響應(yīng)由介質(zhì)兩側(cè)的反并聯(lián)電流提供。通常metamaterial材料的吸收特性極易受到入射角度和極化特性的影響，比如 N.1.Landy 等在 Physical Review Letters 上發(fā)表的文章《Perfect MetamaterialAbsorber》中提到的結(jié)構(gòu)僅能工作在正入射條件下，當(dāng)入射波發(fā)生傾斜時(shí)這種結(jié)構(gòu)的吸收迅速衰減。為了改善metamaterial材料吸收的角度和極化特性，Bingnan Wang等在 Physical Review Letters 上((Wide-angle and polarization-1ndependent chiralmetamaterial absorber》中提到了一種新的結(jié)構(gòu)，它具有極化無關(guān)和寬角度的吸收特性，然而這種結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以應(yīng)用到中紅外波段。在本發(fā)明中我們設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的metamaterial材料,具有窄帶寬角度且極化無關(guān)的吸收特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對目前現(xiàn)有吸波材料角度特性不良和極化依賴嚴(yán)重的不足，提出一種具有窄帶寬角度和極化無關(guān)的metamaterial吸收材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是提出一種基于平面二維光子晶體的metamaterial吸波材料，其包括三層結(jié)構(gòu):第一層是十字形的金屬鎢周期排列陣列；第二層是具有損耗的低折射率聚合物；第三層是一層金屬反射層。進(jìn)一步地，所述第一層金屬鎢的厚度要小于10.6 μ m紅外波對應(yīng)金屬鎢的趨膚深度。
進(jìn)一步地，所述第二層聚合物材料其相對介電常數(shù)為2.88+0.09i，損耗角正切tan 6=0.0313進(jìn)一步地，所述第三層金屬的厚度一定要大于本金屬在本波段對應(yīng)地趨膚深度。進(jìn)一步地，所述第一層十字形金屬鎢周期排列陣列的周期P為5.2 i! m到5.3 i! m，其十字形長度I為2.71 ii m，寬度w為1.75 ii m。進(jìn)一步地，所述第二層聚合物材料的厚度為0.35 ii m到0.38 u m。進(jìn)一步地，所述第三層金屬可以采用金、銀、銅等高反射的金屬材料。進(jìn)一步地，所述第一層十字形金屬鶴貼片的厚度為0.095 V- m到0.105 u m。進(jìn)一步地，所述第三層金屬的厚度應(yīng)該要大于0.2 ii m。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種metamaterial吸波材料，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)得到了在
10.6 u m周圍寬角度并且極化無關(guān)的吸收特性，并且其總體厚度不超過I U m。


圖1為本發(fā)明metamaterial吸波材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖和單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明metamaterial吸波材料在TE模式下的仿真吸收效果圖。圖3為本發(fā)明metamaterial吸波材料在TM模式下的仿真吸收效果圖。
具體實(shí)施方式
請參照圖1,圖1為本發(fā)明metamaterial吸波材料的整體結(jié)構(gòu)和單元結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明包括三層結(jié)構(gòu)，其第一層為十字形的金屬鎢貼片周期性陣列，第二層為介質(zhì)層，第三層為金屬反射層。本發(fā)明所采用的材料分別為:第一層采用金屬鎢，其電磁特性參照EdwardD.Palik 的《Handbook of Optical Constants of Solids》；第二層為一層聚合物，其相對介電常數(shù)為2.88+0.09i，損耗角正切tan 6 = 0.0313，第三層為金屬反射層，其可選材料包括金、銀、銅等紅外高反金屬材料。為了實(shí)現(xiàn)在紅外10.6 ii m處的高吸收，本發(fā)明通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)得到寬角度極化無關(guān)的吸收效果。我們得到本發(fā)明其相應(yīng)地結(jié)構(gòu)參數(shù)為:十字形金屬鎢貼片周期性陣列其周期P影響本發(fā)明吸收的角度特性，通過參數(shù)分析得到本發(fā)明最適合的p值為5.2 y m到5.3um ;十字形貼片的長1、寬w影響了共振的諧振頻率，為了使吸收峰正好對應(yīng)共振頻率，本發(fā)明最合適的I值為2.71 ii m, w值為1.75 ii m ;第一層十字形金屬鶴貼片的厚度值在
0.095iim到0.105iim之間；第二層聚合物厚度d對結(jié)構(gòu)的吸收率影響很大，優(yōu)化結(jié)構(gòu)之后本發(fā)明得到最適合d值為0.35 y m到0.38 y m ;第三層金屬層作為反射層，其可以增強(qiáng)電磁波在結(jié)構(gòu)之間的相互干涉，因此本發(fā)明適應(yīng)厚度必須要大于紅外波段對應(yīng)的趨膚厚度。圖2、3計(jì)算了本發(fā)明在不同模式下對應(yīng)的吸收效果。如圖2所示，在TE模式下，隨著入射角度的變化，雖然本發(fā)明的吸收率會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變，但是其吸收峰位置基本沒有變化。我們可以看出當(dāng)入射角度小于40°時(shí)，本發(fā)明對于TE波的吸收率在98%以上，但是當(dāng)入射角度繼續(xù)增加時(shí)，本發(fā)明的吸收特性隨之降低。如圖3所示，在TM模式下，隨著入射角度的變化，本發(fā)明所對應(yīng)的吸收特性圖譜。我們可以從圖3中無論入射角度如何變化，本發(fā)明對于TM波的吸收特性一直都在98%以上，而且吸收峰的位置不發(fā)生變化。圖2、3證實(shí)本發(fā)明具有相對理想的吸收效果，其中在對于TM波的吸收接近理想。
權(quán)利要求
1.一種基于平面二維光子晶體的metamaterial吸波材料,其特征在于:包括三層結(jié)構(gòu)，即第一層為十字形的金屬鎢貼片周期性陣列，第二層為介質(zhì)層，第三層為金屬反射層。
2.如權(quán)利要求1所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第一層金屬鶴貼片的厚度要小于金屬鎢在此頻段對應(yīng)的趨膚深度，在本發(fā)明中金屬貼片厚度在0.095 到0.105 y m 之間。
3.如權(quán)利要求1所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第二層介質(zhì)層為聚合物材料，其相對介電常數(shù)為2.88+0.09i，損耗角正切為tan 6 = 0.0313 ;第三層金屬反射層材料可以選取金、銀、銅等紅外高反金屬。
4.如權(quán)利要求2所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:所述的十字形金屬鶴貼片其長為2.71 ii m，寬為1.75 u m,其重復(fù)周期為5.2 y m到5.3 y m范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第二層介質(zhì)層厚度為0.35 u m 到 0.38 u m。
6.如權(quán)利要求3所述的metamaterial吸波材料,其特征在于:第三層金屬反射層的厚度必須大于此金屬在中紅外波段的趨膚深度，本發(fā)明要求此層厚度要大于0.2 y m。
全文摘要
本發(fā)明中紅外10.6μm窄帶寬角度的吸波材料公開一種基于平面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的metamaterial吸波材料，其結(jié)構(gòu)包括三層第一層為十字形的金屬鎢貼片周期性陣列，第二層為介質(zhì)層，第三層為金屬反射層。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)使得本發(fā)明在10.6μm周圍具有比較理想的吸收效果，即本發(fā)明對入射角度在0°—40°內(nèi)的TE波吸收率可以達(dá)到98%以上，對于入射角度在0—80°內(nèi)的TM波吸收率可以達(dá)到98%以上。
文檔編號H01Q17/00GK103199348SQ20131012218
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者紀(jì)越峰, 田慧平, 吳南南, 張艷紅 申請人:北京郵電大學(xué)