一种基于介质超表面的中红外滤波器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于介质超表面的中红外滤波器，其包括阵列层和基底层，所述阵列层为电介质谐振器阵列层，阵列层是由若干个单元纳米天线组成的阵列，阵列是按二维晶格周期性排列，对于x轴、y轴具有对称性，所述单元纳米天线为圆柱形电介质谐振器，阵列层的厚度h为0.4µm至0.5µm；单元纳米天线的直径d小于基底层的周期晶格常数p，且直径d小于单元纳米天线所对应的波长；所述基底层为中红外高透介质基底层。器件工作在中红外波段，体系的整体厚度小于工作波长；器件选用的均为中红外低损耗材料，本身具有高效性。对于正入射的电磁波，反射率超过95％；通过调节结构的几何参数，可实现对器件工作波长的任意调控。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种基于介质超表面的中红外滤波器
本专利技术涉及光学器件
，具体涉及一种超表面调控器件。
技术介绍
在军事领域中，红外抗干扰一直是重要的应用之一。例如红外导弹是把被攻击的目标视为点源，用调制盘或者圆锥扫描、章动扫描等方式，对点源信号进行相位、频率、幅度、脉宽等的调制，以获得目标的方位信息。当存在强辐射红外干扰，特别是用于攻击复杂红外背景的地面坦克和装甲目标时，但这种方法会产生很大的误差，无法精准的实现目标定位。由于在定位过程中，干扰信号本身无法彻底消除，所以要采用适当的方法来增加系统的抗干扰特性，例如增加滤波器滤掉干扰电磁波等方法。滤波器在无线电技术中占有重要的地位，可以利用它来实现不同频率的分离或组合，例如在变频器、倍频器以及多路通信中都用到了滤波器。它被广泛应用于商业和军事领域，例如雷达系统、无线通信系统、车辆导航系统、天气预报系统、遥感探测系统以及医疗成像系统等等。随着超材料(Metamaterial)，尤其是超表面(Metasurface)的出现，人们操控电磁波/光波行为的方法进一步多样化。超材料是指一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其特性主要取决于其构成的亚波长人工结构子单元。通过调节子单元结构的几何尺寸和排列的周期序，人们可以设计和调控超材料的等效介电常数和等效磁导率。而超表面则是指一种准二维平面化的超材料结构，通过对微结构的设计，它一般不但具有三维体超材料所具有的超强电磁波调控能力，与其相比，它还具有体积小、损耗低、易于片上集成等诸多优点，近来已引起了人们的广泛关注。随着从红外技术的发展，平面阵列器件的出现，为红外制导提供了广阔的应用前景。本专利技术正是一种基于超表面的光学滤波器。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术提供了一种基于介质超表面的中红外滤波器，包括阵列层1和基底层2，所述阵列层1为电介质谐振器阵列层，所述基底层为中红外高透介质基底层，阵列层1为圆柱形电介质谐振器阵列，基底层为氟化钙介质基底；阵列是按二维晶格周期性排列，对于x轴、y轴具有对称性。对于x和y偏振入射的电磁波，通过调节圆柱的几何参数，其反射共振峰对于波长的响应可以实现自由调控并覆盖1μm的波长范围。阵列层1是由若干个单元纳米天线组成的阵列，阵列层1的厚度h为0.4μm至0.5μm，材料为硅；基底层2的周期晶格常数P为2.0μm至2.8μm，优选2.2μm至2.4μm。单元纳米天线的直径d小于基底层2的周期晶格常数p，且直径d小于单元纳米天线所对应的波长。基底层2厚度为0.8μm至1.2μm，材料为氟化钙；由于硅的电介质材料特性，每个硅谐振器都存在米氏共振，在共振波长处会出现明显的透射低谷，由于硅在中红外波段几乎不存在吸收效应，所以在共振处，能量可以绝大部分反射出去，从而保证反射式滤波器的高反射率。超表面滤波器放置在xy平面内，电磁波入射方向与z轴夹角为θ(0≤θ≤30°)，偏振方向与x轴平行。当电磁波正入射到该结构表面时，会激发介质谐振器的电磁共振。本设计中，磁四极子共振峰值较窄，适用于滤波。本专利技术的优点在于：器件工作在中红外波段，体系的整体厚度小于工作波长；器件选用的均为中红外低损耗材料，本身具有高效性。对于正入射的电磁波，反射率超过95％；通过调节结构的几何参数，可以实现对器件工作波长的任意调控。超表面天线不必设计额外的馈电，简化了滤波器的设计过程。结构简单：本专利技术包括超表面谐振器和基底两部分结构，其中，超表面结构直接由m*n个相同的超表面单元按m×n的方式无间隙排列组合而成，构造简单且易加工。滤波性能好：效率高达95％以上，带外抑制效果明显，而且改变结构的几何尺寸同样可实现其他波段的相应功能，便于工作波长的调控。附图说明图1为本专利技术超表面滤波器结构示意图及单元结构图；图2为本专利技术超表面滤波器单元谐振器在线极化平面波垂直入射时，共振特性仿真结果以及截面电场、磁场和表面电流分布；图3为本专利技术超表面滤波器工作波长调控仿真结果以及反射场分布图；图4为本专利技术超表面滤波器入射角度调控仿真结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。如图1所示的超表面滤波器结构，由若干单元结构组成。谐振器采用圆柱结构，该结构的优点是具有高度对称性，对入射光具有偏正非依赖特性。上层硅圆柱阵列高度为h＝0.5μm，几何调控参数为直径d，底层氟化钙为中红外高透射材料，折射率n＝1.4，吸收几乎为零。采用FDTD算法进行仿真计算，边界条件设置为：x，y方向为周期边界条件，z方向为散射边界条件，通过数值模拟优化可得，周期晶格常数为p＝2.2μm时，滤波器对应的工作波长范围是3.5-4.5μm，符合设计要求。整个偏振调控器的厚度是1.5μm，小于工作波长(3.5-4.5μm)，因此器件可视作准二维平面结构。在comsol中建模，仿真得到硅圆柱共振单元通过改变几何参数，计算不同波长入射光的共振特性。如图2中的(a)所示，圆柱的直径d作为滤波器的工作波长调控参数，仿真过程中，圆柱直径调节范围是1.2μm-2μm，从而得到滤波器在不同波长入射情况下的反射效率。在中红外波段处出现两个反射峰值，其中短波长处的峰值半高宽较大，调节范围相对较小，而长波处的共振峰半高全宽很小，而且在中红外区域的调控范围大，在非共振区域反射极小，因此可以用于设计反射滤波器。共振模式分析：任选一组计算数据，以d＝1.8μm为例，分析其在中红外波段的反射效率，如图2的(b)，并提取出两个共振峰值A和B两点，谐振器xy截面的电场、磁场以及表面电流分布，如图2的(c-f)。在共振点，滤波器共振器的反射率可以高达98％，并且在远离共振波长时，反射率可以急剧下降。其中共振点B的电场和磁场分别如图2的(e)、(f)所示，双环形电流证明了该共振为电介质的磁四极子共振模式。波长调控性：周期p固定为2.2μm时，直径d的范围从1.6μm到2.0μm，间隔为0.1μm，对应的反射谱如图3(a)所示。在选定的周期条件下，滤波器的工作波长调控范围可以覆盖3.5μm-4.5μm，直径增加，工作波长红移。具体反射分析以d＝1.6μm为例，在反射谱线上提取6个点(1-6)的反射场分布如图3的(b)，可以看出从1到6，透射强度先减后增，反射强度先增后减，共振点3处的反射最大，透射几乎为零，阻带抑制明显。在共振波长处的反射率均能到达98％以上。为了进一步扩大滤波器的调控范围，我们可以增加单元结构的周期p，将调控范围向长波方向移动。角度适应性：基于硅超表面滤波器的另一个重要的优点是具有一定的角度适应性。我们以周期p＝2.2μm，谐振器直径d＝2.0μm为例，入射光从垂直入射到30°斜入射的范围内，仿真结果如图4的(b)所示，在一定的斜入射角度内，反射峰值对应的波长保持不变，当大于20°入射时，共振峰对应波长几乎不变，但是反射率会随着入射角度的增加而减小。因此，该滤波器相对于传统滤波器具有一定的角度适应性。以上内容是结合具体的优选实施方式对本专利技术所作的进一步详细说明，不能认定本专利技术的具体实施只局限于这些说明。对于本专利技术所属
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于介质超表面的中红外滤波器，其特征在于：其包括阵列层(1)和基底层(2)，所述阵列层(1)为电介质谐振器阵列层，阵列层(1)是由若干个单元纳米天线组成的阵列，阵列是按二维晶格周期性排列，对于x轴、y轴具有对称性，所述单元纳米天线为圆柱形电介质谐振器，阵列层(1)的厚度h为0.4μm至0.5μm；单元纳米天线的直径d小于基底层(2)的周期晶格常数p，且共振单元尺寸均为亚波长级别，直径d小于单元纳米天线所对应的波长；所述基底层(2)为中红外高透介质基底层，基底层(2)的周期晶格常数P为2.0μm至2.8μm，基底层(2)厚度为0.8μm至1.2μm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于介质超表面的中红外滤波器，其特征在于：其包括阵列层(1)和基底层(2)，所述阵列层(1)为电介质谐振器阵列层，阵列层(1)是由若干个单元纳米天线组成的阵列，阵列是按二维晶格周期性排列，对于x轴、y轴具有对称性，所述单元纳米天线为圆柱形电介质谐振器，阵列层(1)的厚度h为0.4μm至0.5μm；单元纳米天线的直径d小于基底层(2)的周期晶格常数p，且共振单元尺寸均为亚波长级别，直径d小于单元纳米天线所对应的波长；所述基底层(2)为中红外高透介质基底层，基底层(2)的周期晶格常数P为2.0μm至2.8μm，基底层(2)厚度为0.8μm至1.2μm。2.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的中红外滤波器，其特征在于：所述基底层(2)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈飞，郭忠义，郭凯，周红平，周清峰，田丽华，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44