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基于叠层MIM结构的红外双波段吸收器设计研究

侯恩柱  
【摘要】:超材料是一种具有特异物理性质的人造复合材料,通过对其结构和组成材料等影响因素的设计,能够突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有材料性质的超常材料功能,例如,负折射率、隐身衣、吸收器和超透镜等。随着微纳技术的快速发展,与之相关的研究已经成为一个涉及物理学、材料学、工程学和化学等学科的前沿交叉学科,是当前科学研究的一个热点话题,在通信天线、隐身技术、电磁对抗、红外探测以及雷达等方面具有很大的应用潜力。非制冷红外探测作为红外辐射探测的主要的方式之一,其探测器性能主要取决于吸收材料的吸收特性。一般只能响应特定单波段,难以实现特定双谱响应,这在某些领域的应用上具有局限性。超材料吸收器作为超材料研究中的一个重要研究方向,通过设计金属-介质-金属(MIM)结构可实现在理论上任意波段电磁波的完美吸收。与传统的吸收材料相比,具有厚度薄,吸收能力强,频带可控,材料电磁参数可设计等优点。因此,设计超材料吸收器作为非制冷红外探测器的吸收材料,为未来红外探测器的设计提供一种新思路和解决方案,具有很强的科学及应用价值。本文基于表面等离激元理论,对在中波红外和长波红外同时实现高吸收的超材料吸收器进行了设计。文中提出了两种中长波红外双波段超材料吸收器模型,并对其吸收特性和实现机制进行了探究。主要工作总结如下:设计了一种基于叠层MIM圆盘结构的中长波红外的双波段吸收器。该设计利用不同介质层对应吸收波段不同的响应,较大介电常数的Ge实现了长波红外9.97μm处的吸收;较小介电常数的Si O2实现了中波红外3.89μm处的吸收,且两个吸收峰处的吸收率均高于98%。介质图形化的设计,使得结构具有很好的吸收调制以及双波段的宽带实现能力,并通过组合结构设计,实现了中波红外3.2μm至4.3μm范围内71%的平均吸收率;长波红外8.5μm至11.5μm范围内88%的平均吸收率。该结构具有良好的入射角稳定性,吸收器在入射角高达±45°时仍保持高吸收。同时,对该结构热损耗以及折射率灵敏度特性也进行了研究分析。研究了一种基于复合十字型结构的双波段吸收器,将小尺寸的十字结构嵌入到介质中,利用表面十字结构和嵌入结构分别实现了对中波红外4.28μm处98.2%和长波红外8.23μm处99.5%的高吸收率。结构展现了较好的调制能力,通过结构特征尺寸的调节,可以实现吸收峰的移动。随着嵌入结构的中心间距的改变,会使得表面结构与嵌入结构以及嵌入结构与嵌入结构间产生相互作用。而对嵌入结构进行极化设计,通过中心对称的组合,能够实现中波红外的双波段响应和带宽拓宽;并且可以实现组合结构的偏振不敏感特性。随着环境折射率的增加,中波红外和长波红外的吸收峰位会随之发生红移。随着入射角从0到60°增大,吸收峰位几乎没有发生改变,其结构在入射角大于20°情况下,会增加一个由波导引起的长波红外11.08μm处吸收,并且吸收率随着入射角从0到60°增大而增大,在入射角为60°时吸收率达到98.4%。


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