本發(fā)明屬于紅外吸收器件，具體涉及一種寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板。

背景技術(shù)：

紅外技術(shù)對人們生活中各個(gè)方面的影響越來越大，紅外探測技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有尤其重要的地位。紅外吸收率是決定探測器紅外響應(yīng)率的重要性能參數(shù)，獲得具有結(jié)構(gòu)緊湊、吸收率高的偏振無關(guān)紅外寬帶吸收器是提高探測器性能的重要方法。然而，伴隨著工作波長的增大，紅外探測器面臨著光生載流子渡越時(shí)間延長、光電導(dǎo)增益和響應(yīng)率降低的問題，而利用金屬表面等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的紅外吸收器(或紅外光子天線)結(jié)構(gòu)可有效解決這一問題。

基于超材料結(jié)構(gòu)的吸收器在某個(gè)或某些頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)吸收，公開號CN103675961A的中國專利申請，公開一種雙L結(jié)構(gòu)中紅外吸收器，可在中、長波紅外波段實(shí)現(xiàn)雙頻寬角度吸收，吸收率接近100％?！癢ide-angle polarization independent infrared broadband absorbers based on metallic multi-sized disk arrays”(Optics express,2012,20(9):10376-10381.)提供一種多個(gè)圓盤陣列組成的紅外吸收器，這一設(shè)計(jì)可在中紅外波段實(shí)現(xiàn)寬頻偏振無關(guān)吸收。然而這些結(jié)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)寬帶、偏振無關(guān)、結(jié)構(gòu)緊湊、吸收率高中的某一或某幾個(gè)功能，很難兼顧多項(xiàng)指標(biāo)；因此為紅外吸收器性能的整體提升提供了很大的發(fā)展空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，解決現(xiàn)有紅外吸收器不能夠兼顧吸收率、吸收帶寬和占空比的缺陷，以能夠兼顧寬帶、偏振無關(guān)且結(jié)構(gòu)緊湊等功能。

本發(fā)明所提供的一種寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，自下而上依次包括襯底層、底層金屬層、介質(zhì)層和頂層金屬層，所述底層金屬層為連續(xù)金屬層，其特征在于：

所述頂層金屬層由多個(gè)周期性陣列排布的金屬圖形組構(gòu)成，各金屬圖形組的結(jié)構(gòu)相同，分別均由對稱性排列的多個(gè)金屬圖形單元構(gòu)成，各金屬圖形單元尺寸相近，各金屬圖形單元連同其垂直投影下的介質(zhì)層和底層金屬層形成諧振單元，調(diào)節(jié)介質(zhì)層厚度，使得各諧振單元阻抗與外界環(huán)境阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)完美吸收。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，所述介質(zhì)層可以具有與頂層金屬層垂直投影相同的圖形，且在垂直方向與頂層金屬層的圖形重合。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其進(jìn)一步特征在于：

所述金屬圖形單元包括中心圓盤單元、四角圓盤單元、內(nèi)層圓弧單元、外層圓弧單元和四角圓弧單元；

所述金屬圖形組由中心圓盤單元、4個(gè)四角圓盤單元、4個(gè)內(nèi)層圓弧單元、4個(gè)外層圓弧單元、4個(gè)四角圓弧單元構(gòu)成；

所述中心圓盤單元位于所述金屬圖形組中心，4個(gè)內(nèi)層圓弧單元分別位于中心圓盤單元的上、下、左、右側(cè)，4個(gè)四角圓盤單元分別位于中心圓盤單元的上左、上右、下左、下右側(cè)；4個(gè)外層圓弧單元相對于中心圓盤單元分別位于相應(yīng)內(nèi)層圓弧單元的外側(cè)，4個(gè)四角圓弧單元相對于中心圓盤單元分別位于相應(yīng)四角圓盤單元的外側(cè)，中心圓盤單元、各四角圓盤單元、內(nèi)層圓弧單元、外層圓弧單元和四角圓弧單元之間均留有間距，所述間距為0.1微米～10微米；該間距會影響吸收器的吸收率與占空比。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其特征在于：

所述中心圓盤單元和4個(gè)四角圓盤單元尺寸相同，直徑為0.1微米～5微米；

所述4個(gè)內(nèi)層圓弧單元尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為0.2微米～8微米，外圓直徑為0.4微米～10微米，0.1弧度～1.5弧度；

所述4個(gè)外層圓弧單元尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為0.5微米～12微米，外圓直徑為0.6微米～14微米，0.2弧度～1.5弧度；

所述四角圓弧單元尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為0.8微米～14微米，外圓直徑為1微米～16微米，0.2弧度～1.5弧度；

所述金屬圖形組之間中心間距為1.5微米～55微米。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其特征在于：

所述金屬圖形單元包括正八邊形單元、內(nèi)層矩形單元、對角正方形單元和外層圓盤單元；

所述金屬圖形組由正八邊形單元、4個(gè)內(nèi)層矩形單元、4個(gè)對角正方形單元、8個(gè)外層圓盤單元構(gòu)成；

所述正八邊形單元位于所述金屬圖形組中心，4個(gè)內(nèi)層矩形單元分別位于正八邊形單元的上、下、左、右側(cè)，4個(gè)對角正方形單元分別位于正八邊形單元的上左、上右、下左、下右側(cè)；8個(gè)外層圓盤單元相對于正八邊形單元分別位于4個(gè)內(nèi)層矩形單元和4個(gè)對角正方形單元的外側(cè)，各外層圓盤單元與1個(gè)內(nèi)層矩形單元和1個(gè)對角正方形單元相鄰；正八邊形單元、各內(nèi)層矩形單元、各對角正方形單元和各外層圓盤單元之間均留有間距，所述間距為0.1微米～10微米。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其特征在于：

所述正八邊形單元為正八邊形，邊長為0.1微米～10微米；

所述4個(gè)內(nèi)層矩形單元尺寸相同，均為矩形，長為0.2微米～10微米，寬為0.1微米～8微米；

所述4個(gè)對角正方形單元尺寸相同，均為正方形，長為0.5微米～12微米，寬為0.2微米～11微米；

所述8個(gè)外層圓盤單元尺寸相同，均為圓形，直徑為0.1微米～10微米；

所述金屬圖形組之間中心間距為1.5微米～50微米。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其特征在于：

所述襯底層采用硅或藍(lán)寶石材料；

所述底層金屬層和頂層金屬層采用金、銀或鋁材料，所述介質(zhì)層采用硅、氧化硅或氮化硅材料。

為增強(qiáng)底層金屬層與襯底層的粘附性，還可在襯底與底層金屬間生長一層鎳、鉻或鈦等材料的粘附層。

所述的寬帶偏振無關(guān)長波紅外吸收板，其特征在于：

所述底層金屬層和頂層金屬層厚度為50納米～200納米；所述介質(zhì)層厚度為0.1微米～5微米。

本發(fā)明的制備方法包括如下步驟：

(1)在硅或藍(lán)寶石或其他襯底層上生長一層金屬作為底層金屬層，可以是金、銀、鋁或其它在長波紅外導(dǎo)電率高的金屬；

(2)使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積機(jī)或磁控濺射鍍膜機(jī)在底層金屬層上生長硅或氧化硅介質(zhì)層；

(3)利用電子束曝光機(jī)或光刻機(jī)將頂層金屬層圖形曝光在旋有光刻膠的介質(zhì)層上；

(4)使用電子束蒸發(fā)機(jī)在介質(zhì)層上生長金、銀或鋁等金屬作為頂層金屬層，該金屬與步驟(1)中金屬可以相同也可不同；

(5)用去膠液將樣品表面光刻膠去除干凈；

(6)使用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)刻蝕步驟(2)中生長的介質(zhì)層。

本發(fā)明中，頂層金屬層由多個(gè)周期性陣列排布的金屬圖形組構(gòu)成，各金屬圖形組均由對稱性排列的多個(gè)金屬圖形單元構(gòu)成，各金屬圖形單元與介質(zhì)層和底層金屬層共同組成諧振單元；入射的紅外輻射會激發(fā)起金屬圖形單元表面電流，該表面電流在諧振單元的等效LC諧振回路中被電磁歐姆損耗和介質(zhì)損耗。調(diào)節(jié)各所述諧振單元介質(zhì)層的厚度，使各所述諧振單元阻抗與外界環(huán)境阻抗相匹配，使器件的反射為0；再選擇足夠厚的金屬作為底層金屬層，使器件的透射為零，器件即可實(shí)現(xiàn)對特定波長電磁波的完美吸收；調(diào)節(jié)金屬圖形單元尺寸，可調(diào)整吸收單元的吸收頻率ω各所述諧振單元尺寸相近，其產(chǎn)生的吸收峰峰位也接近，多個(gè)尺寸相近的諧振單元同時(shí)產(chǎn)生的吸收峰互相疊加，可實(shí)現(xiàn)超寬帶吸收。各組金屬圖形組中，多個(gè)金屬圖形單元分別形成的諧振單元具有極高的對稱性，可吸收任何偏振方向的入射光，即可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)吸收；通過合理放置多個(gè)諧振單元，也可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)吸收。即所述諧振單元組可吸收任意偏振方向的入射光，實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)吸收。為實(shí)現(xiàn)器件的小型化，利用數(shù)值仿真，優(yōu)化各組所述諧振單元結(jié)構(gòu)及間距，減小各所述諧振單元之間的影響，還可提高諧振單元的吸收率和占空比。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的縱向剖面示意圖；

圖2為實(shí)施例1的俯視圖；

圖3為實(shí)施例1的吸收率仿真結(jié)果；

圖4為實(shí)施例2的縱向剖面示意圖；

圖5為實(shí)施例2的俯視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：如圖1所示，本實(shí)施例自下而上依次包括襯底層4、底層金屬層1、介質(zhì)層2和頂層金屬層3，所述底層金屬層為連續(xù)金屬層；

所述頂層金屬層3由多個(gè)周期性陣列排布的金屬圖形組構(gòu)成，各金屬圖形組的結(jié)構(gòu)相同，分別均由對稱性排列的多個(gè)金屬圖形單元構(gòu)成，各金屬圖形單元尺寸相近，各金屬圖形單元連同其垂直投影下的介質(zhì)層和底層金屬層形成諧振單元，調(diào)節(jié)介質(zhì)層厚度，使得各諧振單元阻抗與外界環(huán)境阻抗相匹配；

所述襯底層4采用硅材料；

所述底層金屬層1和頂層金屬層3采用金材料，厚度均為100納米；所述介質(zhì)層2采用硅材料，厚度為0.7微米；

如圖2所示，所述金屬圖形單元包括中心圓盤單元31、四角圓盤單元33、內(nèi)層圓弧單元32、外層圓弧單元34和四角圓弧單元35；

所述金屬圖形組由中心圓盤單元31、4個(gè)四角圓盤單元33、4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32、4個(gè)外層圓弧單元34和4個(gè)四角圓弧單元35構(gòu)成；

所述中心圓盤單元31位于所述金屬圖形組中心，4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32分別位于中心圓盤單元31的上、下、左、右側(cè)，4個(gè)四角圓盤單元33分別位于中心圓盤單元31的上左、上右、下左、下右側(cè)；4個(gè)外層圓弧單元34相對于中心圓盤單元31分別位于相應(yīng)內(nèi)層圓弧單元32的外側(cè)，4個(gè)四角圓弧單元35相對于中心圓盤單元31分別位于相應(yīng)四角圓盤單元33的外側(cè)，中心圓盤單元31、各四角圓盤單元33、內(nèi)層圓弧單元32、外層圓弧單元34和四角圓弧單元35之間均留有間距。

本實(shí)施例中，所述中心圓盤單元31和4個(gè)四角圓盤單元33尺寸相同，直徑為1.6微米，所述中心圓盤單元31與4個(gè)四角圓盤單元33之間間距為1.05微米；

所述4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為2.6微米，外圓直徑為5.6微米，0.73弧度，所述4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32與所述中心圓盤單元31之間間距為0.5微米；

所述4個(gè)外層圓弧單元34尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為6.2微米，外圓直徑為9.5微米，0.49弧度，所述4個(gè)外層圓弧單元34與所述4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32間距為0.64微米；

所述4個(gè)四角圓弧單元35尺寸相同，均為扇形，內(nèi)圓直徑為9.3微米，外圓直徑為12.4微米，0.31弧度，所述4個(gè)四角圓弧單元35與所述4個(gè)四角單元33間距為1.15微米；

各金屬圖形組之間中心間距為10.45微米。

本實(shí)施例的吸收率仿真結(jié)果如圖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圓盤31和4個(gè)四角圓盤33諧振產(chǎn)生，b吸收峰和c吸收峰是由所述4個(gè)內(nèi)層圓弧單元32諧振產(chǎn)生，d吸收峰是由所述4個(gè)四角圓弧單元34諧振產(chǎn)生，e吸收峰和f吸收峰是由4個(gè)外層圓弧單元35諧振產(chǎn)生。上述各吸收峰頻率相近，相互疊加，實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

實(shí)施例2：如圖4所示，本實(shí)施例自下而上依次包括襯底層4、底層金屬層1、介質(zhì)層2和頂層金屬層3，所述底層金屬層為連續(xù)金屬層；

所述頂層金屬層3由多個(gè)周期性陣列排布的金屬圖形組構(gòu)成，各金屬圖形組的結(jié)構(gòu)相同，分別均由對稱性排列的多個(gè)金屬圖形單元構(gòu)成，各金屬圖形單元尺寸相近，各金屬圖形單元連同其垂直投影下的介質(zhì)層和底層金屬層形成諧振單元，調(diào)節(jié)介質(zhì)層厚度，使得各諧振單元阻抗與外界環(huán)境阻抗相匹配；

所述介質(zhì)層2具有與頂層金屬層3垂直投影相同的圖形，且在垂直方向與頂層金屬層3的圖形重合；

所述襯底層4采用藍(lán)寶石材料；

所述底層金屬層1和頂層金屬層3采用鋁材料，厚度分別為100納米；所述介質(zhì)層2采用氧化硅材料，厚度為2微米；

如圖5所示，所述金屬圖形單元包括正八邊形單元36、內(nèi)層矩形單元37、對角正方形單元38和外層圓盤單元39；

所述金屬圖形組由正八邊形單元36、4個(gè)內(nèi)層矩形單元37、4個(gè)對角正方形單元38、8個(gè)外層圓盤單元39構(gòu)成；

所述正八邊形單元36位于所述金屬圖形組中心，4個(gè)內(nèi)層矩形單元37分別位于正八邊形單元36的上、下、左、右側(cè)，4個(gè)對角正方形單元38分別位于正八邊形單元36的上左、上右、下左、下右側(cè)；8個(gè)外層圓盤單元39相對于正八邊形單元36分別位于4個(gè)內(nèi)層矩形單元37和4個(gè)對角正方形單元38的外側(cè)，各外層圓盤單元39與1個(gè)內(nèi)層矩形單元37和1個(gè)對角正方形單元38相鄰；正八邊形單元36、各內(nèi)層矩形單元37、各對角正方形單元38和各外層圓盤單元39之間均留有間距；

本實(shí)施例中，所述正八邊形單元36為正八邊形，邊長為1.8微米；

所述4個(gè)內(nèi)層矩形單元37尺寸相同，均為矩形，長為1.5微米，寬為1.4微米，所述4個(gè)內(nèi)層矩形單元37與所述正八邊形單元36間距為0.3微米；

所述4個(gè)對角正方形單元38尺寸相同，均為矩形，邊長為1.4微米，所述4個(gè)對角正方形單元38與所述正八邊形單元36間距為0.3微米；

所述8個(gè)外層圓盤單元39尺寸相同，均為圓形，直徑為1.2微米，所述8個(gè)外層圓盤單元39的圓心與所述正八邊形單元36的距離為1.8微米。

所述各金屬圖形組之間中心間距為10.45微米。