超寬帶中紅外超材料吸收器的光學性能分析

王丹 黃金英

(長春電子科技學院 吉林長春 130000)

電磁超材料吸收器具有諧振特點，具備的吸收頻率和結(jié)構(gòu)有著很強的相關(guān)性，很多結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為窄帶吸收，很多科研機構(gòu)對寬帶紅外超材料吸收器方面投入研發(fā)力量，把不同尺寸單元結(jié)構(gòu)進行整合并置到相同周期結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)合此結(jié)構(gòu)具備的諧振特性，每個尺寸單元結(jié)構(gòu)均對應(yīng)吸收峰，多尺寸單元結(jié)構(gòu)進行結(jié)合可形成一個吸收帶，采用該技術(shù)可以對帶寬進行有效拓展，但由于拓展以后的帶寬仍無法滿足需要，還應(yīng)該進一步提升平均吸收率。同時，采用多尺寸結(jié)構(gòu)來給制造工藝帶來困難，應(yīng)用單一尺寸結(jié)構(gòu)來設(shè)計超寬帶是需要解決的問題，基于中紅外波段來設(shè)計單一尺寸結(jié)構(gòu)化吸收器，隨著入射光角度發(fā)展改變時，吸收帶寬度和吸收率并沒有發(fā)生顯著改變，具有良好的光學吸收性能。

1 電磁超材料與吸收器

傳統(tǒng)電磁材料受到質(zhì)量、體積等因素的制約無法發(fā)揮了應(yīng)有的潛力，電磁超材料具備特性與結(jié)構(gòu)中材料性質(zhì)、占比、尺寸、排列和組合方式等有著直接關(guān)系，可實現(xiàn)對電磁波相位、振幅和偏狀態(tài)進行調(diào)整，可以形成多種超常規(guī)物理現(xiàn)象。很多天然電磁材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均大于零，采用特定的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計成的電磁超材料可以將上述性能變?yōu)樨撝刀鳛樨撜凵渎什牧稀Ｒ话闱闆r下，厚度低于波長10%的電磁超材料均可稱作二維電磁超表面，具有質(zhì)量小、體積輕等方面的優(yōu)勢，隨著微納米加工技術(shù)的不斷發(fā)展，二級超表面已經(jīng)變成現(xiàn)實[1]。

電磁波在傳遞過程中，如果遇到物體會有部分電磁波被物體吸收，借助電磁波吸收器，可以對傳遞的電磁波吸收，將吸收的電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰浚藗兘柚姶懦牧希梢詫﹄姶挪ㄟM行控制，使結(jié)構(gòu)與入射電磁波發(fā)生耦合作用，電磁波能量的吸收過程中可在特定頻率或頻寬，同時，還應(yīng)人工控制電磁波的反射和透射，確保與阻抗進行匹配，電磁波吸收器將會吸收更多的電磁波，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觿幽堋榱肆己玫乜刂齐姶挪ㄍ干湫阅埽瑧?yīng)注重對衰減特性材料的選擇，將電磁波吸收器內(nèi)部的電磁波加速度衰減。吸收器由底層反射金屬、中間介質(zhì)層和頂層構(gòu)成，電場分量一般是由入射電磁波和電諧振環(huán)共振作用，使兩層金屬構(gòu)建起的磁偶極子共振用于吸收磁場分量，不會存在反射和透射電磁波。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對吸收器性能提出了更高的要求，對超材料吸收器的研究變得更為深入。空氣中的水、二氧化碳和臭氧等分子對紅外光線具有較強有吸收和散射效果[2]，部分紅外光線不會在地面與外太空傳輸，但一些特定波段的紅外光線可以穿透大氣層，電磁超材料吸收器在對此可見光波段有著很好的吸收率。中紅外波段波長區(qū)間為8～13 μm，現(xiàn)有的中紅外波段吸收器并不能很好地滿足實際應(yīng)用需要。

2 寬帶中紅外超材料吸收器的結(jié)構(gòu)與建模

2.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

單一尺寸圖案化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用金屬鈦作為最底層，可對電磁波起到阻擋作用，厚度要超過工作波段趨膚深度，厚度確定為0.1 μm。鈦金屬為介質(zhì)層，選擇二氧化硅材料，可對圖案化結(jié)構(gòu)起到支撐作用，二氧化硅上面為薄鈦膜，可對表面等離子激元形成的共振頻率進行調(diào)控，采取為MIM 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上方填置圖案化鈦結(jié)構(gòu)，吸收器需要不對入射光極化方向產(chǎn)生敏感，采取方塊TI 結(jié)構(gòu)。采用薄膜沉積技術(shù)來逐次制備鈦膜、二氧化鈦膜、鈦膜，應(yīng)用微納米加工技術(shù)形成鈦方塊陣列[3]。方塊鈦厚度h1的區(qū)間為0.9～2.9 μm，寬度W的區(qū)間為1.1～3.3 μm，相鄰方塊間隙g為0.8～1.4 μm，薄層鈦膜厚度h2區(qū)間0.001～0.011 μm、介質(zhì)層二氧化厚度h3為0.1 μm、反射層鈦厚度h4為0.1 μm，結(jié)構(gòu)周期P為2.9～3.5 μm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍具體如表1所示[4]。

圖1 單一尺寸圖案化結(jié)構(gòu)圖

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及取值范圍表

2.2 結(jié)構(gòu)建模

采用有限元方法以對數(shù)值進行分析與研究，吸收器x、y兩個方向都作為周期性邊界條件，入射光以Z軸方向入射，環(huán)境介質(zhì)為空氣。吸收率A=1-R-T，R作為反射率，取為|S11|2，T為透射率，取為|S21|2。底層金屬厚度h4為0.1 μm，超過入射光在金屬材料中的趨膚深度，不存在光透過現(xiàn)象，則T取為0，公式可簡化為A=1-R。選擇頻域求解器，波長與長度單位為μm，二氧化硅和鈦材料，繪圖建模并定義Zmax入射源，頻率區(qū)間為7～14 μm，確定邊界條件x、y和z，劃分自適應(yīng)網(wǎng)格，對特定頻率條件下的電場與磁場分布進行監(jiān)測，把參數(shù)導(dǎo)出并采用公式進行計算，繪制吸收譜與電場分布圖。超材料吸收器的建模步驟如圖2所示[5]。

圖2 超材料吸收器的建模步驟表

3 超寬帶中紅外超材料吸收器光學性能影響

3.1 光學性能分析

電磁波正常入射至吸收器，進行仿真并繪制吸收率曲線圖。吸收器對入射光極化方向具有敏感性是影響吸收率的關(guān)鍵因素，計算在TE、TM兩種不同偏振模式下吸收曲線進行請算，從計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條曲線為基本重合狀態(tài)，也就是在電磁波垂直入射時不對方向產(chǎn)生敏感，這是由于結(jié)構(gòu)為完全對稱狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)在10.2 μm、8.44 μm 時存在吸收峰，10.2 μm 吸收峰附近在帶寬為0.92 μm區(qū)間（9.77～10.69 μm）內(nèi)的吸收率可達到99%，此帶寬為中紅外波段的18.4%；在8.44 μm吸收峰附近帶寬為0.36 μm 區(qū)間（8.29～8.65 μm）內(nèi)的吸收率可達到97%。在上述兩個峰附近存在著優(yōu)異的吸收性能[6]。

為深入分析與研究吸收器寬帶高吸收機理，監(jiān)測垂直入射TE電磁波電場分布，發(fā)現(xiàn)二氧化硅介質(zhì)層和頂層鈦薄膜界面電場分布具有更為明顯的特征，電場分布主要集中于鈦金屬方塊正方、相鄰方塊鈦間隙兩個區(qū)域。而吸收器于8.44 μm 波長，鈦方塊下方區(qū)域電場分布強度最高，其他鈦方塊下方區(qū)域電場強度減小；而10.2 μm 波長，相鄰方塊鈦間隙電場分布最強，其他波長的相鄰方塊鈦間隙的電場強度也在變小。

吸收譜首個吸收峰為相鄰方塊鈦間隙電場生成，第二個吸收峰是位于鈦方塊下方區(qū)域，集中存在著高強度電場，吸收譜于短波的吸收知是因為吸收器生成傳播表面等離子體激元共振，電場存在于鈦方塊正下方；長波長吸收峰是由于表面等離子體共振引起的，電場集中于相鄰方塊鈦間隙部位。上述兩種共振模式的共同作用，吸收器位于8～13 μm區(qū)間內(nèi)，電場集中存在于鈦方塊下方和相鄰方塊鈦間隙部位，這樣就可以對中紅外波段寬帶進行吸收[7]。

3.2 鈦薄膜對性能的影響

與不添加薄層鈦金屬吸收器進行對比來看，存在薄層鈦金屬吸收器在中紅外波段具有更高的吸收率，中間的鈦膜具有關(guān)鍵作用，如果吸收器不存在中間鈦膜，則為三層典型結(jié)構(gòu)，吸收性能是PSP、LSP 決定，也就是兩個吸收峰獨立存在，短波長吸收峰是由于PSP共振引起，長波長吸收峰是由LSP 共振引起。結(jié)構(gòu)中填加一定厚度薄層鈦膜，導(dǎo)致兩個共振峰相臨更近，長、短波長吸收峰值都有著很大的提升，也就是兩種共振都得到增強，表明該層薄層鈦膜對兩種共振具有促進作用，吸收器在中紅外波段有著更高吸收性能。

為深入分析薄層鈦膜對吸收器性能產(chǎn)生的影響，在確保一直相關(guān)的參數(shù)保持固定前提下，使鈦膜厚度從0.001 μm 提升至0.011 μm，對吸收器吸收譜改變情況進行分析。從中可以看出，薄層鈦膜厚度比較薄且兩個吸收峰分隔得比較開且獨立，薄層鈦膜不斷增厚時，短波的吸收峰向長波方向位移，長波吸收峰隨之向短波方向平移，當兩個吸收峰逐漸相鄰，吸收譜峰值并不存在衰減。當薄層鈦膜厚度參數(shù)值降低則吸收器帶寬區(qū)間大，厚度參數(shù)值增加則帶寬變窄。當鈦膜厚度保持0.001 μm時的帶寬大，吸收率為95.7%；當鈦膜厚度保持0.003 μm則吸收率較0.001 μm時有所提高，數(shù)值顯示為96.5%。因此，應(yīng)平衡結(jié)合帶寬與吸收率之間的關(guān)系，確保薄層鈦膜厚度保持在0.001～0.005 μm區(qū)間，吸收器在中紅外波段具有優(yōu)異性能。這就表明，如果薄層鈦膜厚度變薄，吸收器更相以于典型三層結(jié)構(gòu)，吸收譜具有2個明顯獨立吸收峰，如果吸收峰分得比較開則有著更寬的帶寬；薄層鈦膜厚度變大，鈦膜和頂層方塊鈦進行結(jié)合，與連續(xù)結(jié)構(gòu)比較相似，LSP共振吸收變得更弱，吸收譜帶寬變窄。通過合理調(diào)節(jié)薄層鈦膜厚度設(shè)置吸收率與帶寬，吸收器可以在中紅外波段有著更寬的帶寬和更好的吸收性能[8]。

3.3 鈦方塊尺寸對性能的影響

鈦金屬方塊人橫向尺寸W、縱向尺寸h1，改變橫向尺寸的W值，分析每個W值對應(yīng)的吸收譜。在W值由1.1 μm 提升至2.1 μm 時，吸收率在不斷變大，帶寬也在相應(yīng)變寬；W值由2.4 μm 提升至3.3 μm 時，吸收率在不斷變小，吸收帶寬也相應(yīng)收窄。這是由于隨著W值的不斷變大，PSP 共振效果也在不斷變強，W值為2.1 μm，吸收器結(jié)構(gòu)在短波長條件下可進行很好的吸收，W值變大以后，鈦金屬方塊占空比超過0.71，LSP共振會導(dǎo)致吸收率變小，吸收率在長波長方向不斷變小，可將鈦方塊橫各尺寸確定為2.1 μm。

保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變h1的數(shù)值，鈦金屬方塊曬太陽度h1由0.9 μm 增長至2.9 μm，對不同取值下對應(yīng)的吸收譜進行分析。鈦金屬方塊厚度對吸收光譜有有著很大的影響。多吸收位置角度進行分析，如果鈦金屬方塊厚度低于0.19 μm，吸收帶位于中紅外波段中的短波區(qū)域；鈦金屬方塊厚充超過1.9 μm，吸收帶會向著長波方向移動。而多鈦金屬方塊厚度條件下吸收率角度進行分析，厚度由0.9 μm 增大至1.9 μm，吸收率會不斷變強；百度由1.9 μm 增大至2.9 μm，短波方向吸收率呈現(xiàn)了衰減趨勢，在長波方向吸收峰會存在紅移。為了綜合考慮帶寬與吸收率，可鈦金屬方塊厚度確定為1.9 μm，可以達到很好的吸收性能。這是由于薄鈦方塊可使結(jié)構(gòu)更趨于連續(xù)平面結(jié)構(gòu)，厚鈦方塊會使結(jié)色效果更好，連續(xù)平面結(jié)構(gòu)PSP 吸收效果為更明顯，LSP 共振有著很好的吸收效果，在鈦方塊變厚時，有助于長波方向LSP 吸收，抑制短波方向的PSP吸收[9]。

3.4 鈦方塊間隙對性能的影響

對相鄰鈦方塊間的間隙進行調(diào)整，其他參數(shù)不作改變，保持寬度W值不變，通過改變周期P來調(diào)整方塊間的間隙，由0.8 μm 增大至1.4 μm。方塊間隙對帶寬有著很大的影響，間隙值小則位于中紅外治波段存在顯著的兩個吸收峰，帶寬則比較寬，如果間隙值為0.8 μm，會存在著兩個獨立的吸收峰，存在著峰谷則對兩峰波段吸收率產(chǎn)生影響。間隙從1 μm 增大至1.4 μm，結(jié)構(gòu)化效果變得更加顯著，與結(jié)構(gòu)粗糙度增大較為相似，這對PSP吸收比較不利，吸收性能會變得更差，因此，間隙值為1 μm具有更好的吸收性能。

3.5 入射光角度對性能影響

吸收光譜對入射光角度產(chǎn)生敏感，其他參數(shù)保持不變，調(diào)整入射光角度，角度由0°增大至60°。入射光從0°增大至30°時，帶寬和吸收率不會發(fā)生改變；在入射光角度為40°時，帶寬與吸收率會開始變差，表明入射光角度位于30°區(qū)間內(nèi)，都有著很好的吸收性能。

4 結(jié)語

綜上所述，吸收器不會對入射電磁波極化方向產(chǎn)生很好的敏感性，在中紅外波段有著更寬的帶寬和更好的吸收性。中間薄層鈦膜對PSP、LSP 共振有著很好的促進作用；吸收率與帶寬在鈦金屬方塊W值的1.1～2.1 μm區(qū)間內(nèi)，隨著W值變大而增強，W值的2.4～3.3 μm區(qū)間，吸收光譜變小且?guī)捯草^窄；鈦金屬方塊厚度低于1.9～2.1 μm，吸收帶集中于中紅外波段的短波區(qū)域，當厚度超過1.9～2.1 μm 則會使吸收帶向著長波方向移動；相鄰鈦金屬方塊間的間隙較小時，吸收峰較為顯著，帶寬較寬；入射光角度在0°～30°區(qū)間，帶寬和吸收率不會發(fā)生變面，入射光角度在40°時開始變差。