一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明步驟如下：1.根據(jù)有效介質(zhì)理論，并通過(guò)CST微波工作室仿真得到S參數(shù)，仿真時(shí)采用頻域計(jì)算模式；周期性單元結(jié)構(gòu)在x和y方向?yàn)橹芷谛苑植迹⑵湓O(shè)置為周期性邊界條件。結(jié)合掃描得到的參數(shù)和，計(jì)算出阻抗值。2.通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的周期和鈦的諧振圓盤的尺寸，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的吸收頻率，將多個(gè)不同尺寸的諧振圓盤水平地放入一個(gè)單元內(nèi)，使不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收譜線疊加。本發(fā)明采用高損耗的金屬能夠使簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)獲得寬帶吸波效果。將單一尺寸的諧振單元替換為不同尺寸的諧振單元，能夠激發(fā)相鄰頻率的諧振模式，進(jìn)一步拓寬吸收帶寬。
【專利說(shuō)明】一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁波吸收和輻射控制領(lǐng)域，尤其涉及一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電磁波吸波材料是指能夠吸收衰減入射電磁波能量，并通過(guò)材料的介質(zhì)損耗使其電磁能轉(zhuǎn)換成熱能或其他能量形式的一類功能復(fù)合材料。電磁波吸波材料的研究在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用中都具有重要的意義，在雷達(dá)隱身、熱輻射儀、紅外探測(cè)器以及熱光伏電池等多方面有著重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的常規(guī)電磁波吸收材料是基于電磁波能量轉(zhuǎn)換到熱能量，如Salisbury吸收屏，它們大多集中在某種有耗媒質(zhì)，以一定的外型結(jié)構(gòu)達(dá)到吸收電磁波的目的。
[0003]隨著超材料(Metamaterial)的實(shí)現(xiàn)，一種嶄新的吸波方式得到了廣泛的關(guān)注，即超材料吸波。超材料吸波是一種新型的吸波方法，通過(guò)設(shè)計(jì)等效電磁參數(shù)獲得阻抗匹配和大的損耗系數(shù)，可通過(guò)合理調(diào)整結(jié)構(gòu)單元和尺寸在各種不同的頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎完美吸波。同時(shí)，超材料介質(zhì)并不需要局限于四分之一個(gè)波長(zhǎng)的厚度，它可以在厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)情況下實(shí)現(xiàn)完美的吸收。
[0004]超材料的吸波特點(diǎn)使得其在許多領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它在軍事領(lǐng)域的運(yùn)用前景已經(jīng)引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。通過(guò)在表面黏附一層吸波材料，可以有效的減小飛機(jī)和艦艇對(duì)于雷達(dá)的反射，防止其被探測(cè)到，達(dá)到隱身的目的；而且黏附的人工吸波材料的厚度非常薄(一般小于波長(zhǎng)量級(jí))，對(duì)飛機(jī)、艦艇的性能(載重、速度等)沒(méi)有絲毫影響。
[0005]超材料吸波一般是基于電、磁共振的，這使得一般的完美吸收帶寬都比較窄，限制了實(shí)際的器件應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)寬帶吸波，需要基于窄帶起源探索頻帶展寬方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法。
[0007]超材料近紅外吸波材料由周期性單元結(jié)構(gòu)組成，周期性單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在底層上，底層是連續(xù)的金膜，厚度為10nm;頂層是鈦的諧振圓盤；底層金膜和頂層諧振圓盤之間是電介質(zhì)隔離層，電介質(zhì)隔離層由二氧化硅構(gòu)成，厚度為160nm。每個(gè)周期性單元結(jié)構(gòu)由三層結(jié)構(gòu)組成，每一層結(jié)構(gòu)的厚度都遠(yuǎn)小于其工作波長(zhǎng)。
[0008]一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法，具體包括如下步驟:
[0009]步驟1.根據(jù)有效介質(zhì)理論,超材料(Metamaterials)近紅外吸波材料的性能由磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε決定，而反射率R(O)和透射率τ(ω)取決于折射率η和波阻抗Ζ，均與磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε相關(guān)；
[0010]反射率R(CO)和透射率τ(ω)均和S參數(shù)有關(guān)，其中R(CO) = | S11(Q) | 2，Τ(ω)=丨 S21 ( ω ) I 2ο
[0011]通過(guò)商用軟件CST微波工作室(CST Microwave Stud1)仿真計(jì)算得到S參數(shù),仿真時(shí)采用頻域計(jì)算模式，TEM電磁波正入射到周期性單元結(jié)構(gòu)上表面；周期性單元結(jié)構(gòu)在X和I方向?yàn)橹芷谛苑植?，并將其設(shè)置為周期性邊界條件。
[0012]近紅外吸波材料吸收率Α(ω)通過(guò)以下公式⑴得到:
[0013]A ( ω ) = 1-T ( ω ) -R( ω ) = 1- | S21 ( ω ) | 2_ | S11 (ω) | 2 (I)
[0014]通過(guò)S參數(shù)，得到近紅外吸波材料的等效波阻抗Z:
[0015]
Z = 4{{\ + Snf-SlJ^-Sn)1-S ,
[0016]結(jié)合商用軟件CST微波工作室的參數(shù)掃描，得到僅有單個(gè)尺寸諧振單元的超材料近紅外吸波材料的最優(yōu)吸收曲線。同時(shí)根據(jù)入射端口和出射端口得到的參數(shù)S11(Co)和S21(co)，從而計(jì)算出阻抗值。
[0017]在吸收波段內(nèi)，阻抗值的實(shí)部接近于1，和自由空間可以實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配，將反射率降低，獲得很高的吸收率。
[0018]步驟2.通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的周期和鈦的諧振圓盤的尺寸，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的吸收頻率。將多個(gè)不同尺寸的諧振圓盤水平地放入一個(gè)單元內(nèi)，使不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收譜線疊力口，若不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收頻率相鄰，則能夠進(jìn)一步拓寬吸波頻帶。
[0019]本發(fā)明有益效果如下:
[0020]本發(fā)明提出了一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法，采用高損耗的金屬能夠使簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)獲得寬帶吸波效果。將單一尺寸的諧振單元替換為不同尺寸的諧振單元，能夠激發(fā)相鄰頻率的諧振模式，進(jìn)一步拓寬吸收帶寬。
[0021]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)超寬的吸波頻帶，可用于紅外輻射器件的設(shè)計(jì)，提高光熱太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。且本發(fā)明中鈦的諧振圓盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠用納米壓印實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速的制作。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為基于高損耗金屬的寬帶吸波器示意圖。
[0023]圖2為單個(gè)尺寸鈦諧振圓盤示意圖。
[0024]圖3為基于高損耗金屬的寬帶吸波器的吸收曲線。
[0025]圖4為提取出來(lái)阻抗值。
[0026]圖5為不同入射角度下的吸收曲線。
[0027]圖6為多個(gè)不同尺寸圓盤構(gòu)成的寬帶吸波器示意圖。
[0028]圖7為多個(gè)不同尺寸圓盤寬帶吸波器的吸收曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030]如圖1、圖2所示，超材料近紅外吸波材料由周期性單元結(jié)構(gòu)組成。每個(gè)單元結(jié)構(gòu)由三層不同材料的結(jié)構(gòu)組成，每一層結(jié)構(gòu)的厚度都遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。具體而言，在硅襯底上設(shè)置一層金膜，厚度約為lOOnm，用于抑制光的透射；在金膜上是連續(xù)的二氧化硅薄膜，厚度為160nm ;最上層是由金屬鈦構(gòu)成的諧振圓盤,直徑為400nm,厚度為30nm。其中二氧化娃在近紅外的折射率約為1.45，金屬鈦的介電常數(shù)用Drude模型來(lái)表示。金的等離子體頻率為
1.366 X 116Hz,碰撞頻率為1.2 X 114Hz ;金屬鈦的等離子體頻率為1.45 X 116Hz,碰撞頻率為 5.5 X 115Hz0
[0031]一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法，具體包括如下步驟:
[0032]步驟1.根據(jù)有效介質(zhì)理論,超材料(Metamaterials)近紅外吸波材料的性能由磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε決定，而反射率R(O)和透射率τ(ω)取決于折射率η和波阻抗Ζ，均與磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε相關(guān)；
[0033]反射率R(co)和透射率Τ(ω)均和S參數(shù)有關(guān)，其中R(co) = | S11(Q) | 2，Τ(ω)=丨 S21 ( ω ) I 2ο
[0034]通過(guò)商用軟件CST微波工作室(CST Microwave Stud1)仿真計(jì)算得到S參數(shù),仿真時(shí)采用頻域計(jì)算模式，TEM電磁波正入射到周期性單元結(jié)構(gòu)上表面；周期性單元結(jié)構(gòu)在X和I方向?yàn)橹芷谛苑植迹⑵湓O(shè)置為周期性邊界條件。
[0035]近紅外吸波材料吸收率Α(ω)通過(guò)以下公式⑴得到:
[0036]A (ω) = l_T(w)-R(co) = 1- | S21(W) I 2_ I S11 (ω) | 2 (I)
[0037]通過(guò)S參數(shù)，得到近紅外吸波材料的等效波阻抗Z:
[0038]
Z = λΙ((I + Sn)2 - SjlJdl- Su)2 - S^1(2)
[0039]結(jié)合商用軟件CST微波工作室的參數(shù)掃描，得到僅有單個(gè)尺寸諧振單元的超材料近紅外吸波材料的最優(yōu)吸收曲線。同時(shí)根據(jù)入射端口和出射端口得到的參數(shù)S11(Co)和S21(co)，從而計(jì)算出阻抗值。
[0040]如圖4所示，在吸收波段內(nèi)，阻抗值的實(shí)部接近于1，和自由空間可以實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配，將反射率降低，獲得很高的吸收率。
[0041]如圖3、圖5所示，通過(guò)仿真結(jié)算結(jié)果能夠看出，該超材料吸波材料能夠在164.2ΤΗζ到345.2ΤΗζ (對(duì)應(yīng)于869.1nm to 1827.0nm)之間獲得90%以上的吸收率。在模擬多角度入射吸收時(shí)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中設(shè)計(jì)的吸波結(jié)構(gòu)不依賴于入射角度，入射角為70度的時(shí)候，依然可以保持高吸收率和大帶寬。
[0042]步驟2.通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的周期和鈦的諧振圓盤的尺寸，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的吸收頻率。將多個(gè)不同尺寸的諧振圓盤水平地放入一個(gè)單元內(nèi)，使不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收譜線疊力口，若不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收頻率相鄰，則能夠進(jìn)一步拓寬吸波頻帶。
[0043]如圖6所示單元周期為100nm,諧振圓盤的尺寸分別為d2 = 300nm和dl =480nm，底層金膜，二氧化硅隔離層和最上層鈦圓盤的厚度保持不變，分別為lOOnm，160nm和30nm。如圖7所示，多尺寸諧振圓盤吸波材料能夠在150THz到385THz (對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)779.2nm到2000nm)之間獲得超過(guò)90%的吸收率。
[0044]本發(fā)明中的設(shè)計(jì)方法不但可以實(shí)現(xiàn)已有的大帶寬吸收效果，還可以通過(guò)改變參數(shù)來(lái)獲得其他頻率電磁波的寬帶高性能吸收；同時(shí)可以將更多不同尺寸的諧振單元集成在一個(gè)單元內(nèi)，進(jìn)一步提高吸收帶寬。
【權(quán)利要求】
1.一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1.根據(jù)有效介質(zhì)理論，超材料近紅外吸波材料的性能由磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε決定，而反射率R(?)和透射率Τ(ω)取決于折射率η和波阻抗Ζ，均與磁導(dǎo)率μ和介電系數(shù)ε相關(guān)； 反射率R(CO)和透射率Τ(ω)均和S參數(shù)有關(guān)，其中R(GJ) = I S11(GJ) | 2，Τ(ω) =I S21(CO) I 2 ； 通過(guò)商用軟件CST微波工作室仿真計(jì)算得到S參數(shù)，仿真時(shí)采用頻域計(jì)算模式，TEM電磁波正入射到周期性單元結(jié)構(gòu)上表面；周期性單元結(jié)構(gòu)在X和y方向?yàn)橹芷谛苑植?，并將其設(shè)置為周期性邊界條件； 近紅外吸波材料吸收率Α(ω)通過(guò)以下公式(I)得到:
Α(ω) = 1-T(CO)-R(CO) = 1- | S21 (ω) | 2- | S11 (ω) | 2 (I) 通過(guò)S參數(shù)，得到近紅外吸波材料的等效波阻抗Z: Z = ^(0 +Su)2-Su)2-S1;,⑵ 結(jié)合商用軟件CST微波工作室的參數(shù)掃描，得到僅有單個(gè)尺寸諧振單元的超材料近紅外吸波材料的最優(yōu)吸收曲線，同時(shí)根據(jù)入射端口和出射端口得到的參數(shù)S11(CO)和S21(CO),從而計(jì)算出等效波阻抗Z ; 步驟2.通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的周期和鈦的諧振圓盤的尺寸，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的吸收頻率，并將多個(gè)不同尺寸的諧振圓盤水平地放入一個(gè)單元內(nèi)，使不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收譜線疊力口，若不同的諧振圓盤對(duì)應(yīng)的吸收頻率相鄰，則能夠進(jìn)一步拓寬吸波頻帶。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大帶寬強(qiáng)吸收超材料近紅外吸波材料的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的超材料近紅外吸波材料由周期性單元結(jié)構(gòu)組成，周期性單元結(jié)構(gòu)設(shè)置在底層上，底層是連續(xù)的金膜，厚度為10nm;頂層是鈦的諧振圓盤；底層金膜和頂層諧振圓盤之間是電介質(zhì)隔離層，電介質(zhì)隔離層由二氧化硅構(gòu)成，厚度為160nm;每個(gè)周期性單元結(jié)構(gòu)由三層結(jié)構(gòu)組成，每一層結(jié)構(gòu)的厚度都遠(yuǎn)小于其工作波長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】G02B5/00GK104181622SQ201410321550
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】丁飛, 朱劍飛, 金毅, 何賽靈 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)