一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器技术

本发明专利技术公开了一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，具体涉及到基于金属‑介质周期膜堆的双曲色散特性，结合亚波长光栅结构，针对TM偏振入射光，利用双曲超材料光栅的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。在确定金属和介质材料参数基础上，通过优化光栅脊宽度、金属膜层厚度、介质膜层厚度和膜堆数，可以在不同波段实现光吸收率的选择性吸收增强。通过调节光栅脊宽度，可以实现吸收峰位置的选择，且结构的选择吸收特性对金属‑介质膜堆数不敏感，具有很高的实验容差，因此，本发明专利技术在增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域有应用前景。实际应用中可以根据需要灵活选取恰当的膜堆数。

【技术实现步骤摘要】
一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器
本专利技术涉及微机电系统、光电探测领域，特别是一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器。
技术介绍
色散特性通常指介电常数或磁导率随波长变化的特性。当特定的两种材料按照一定方式组合后，即会在特定的波段(频段)出现双曲色散特性，该组合材料称之为双曲超材料，而该特定的波段为双曲波段(双曲波段表现出双曲色散曲线)。在双曲波段中，双曲超材料介电常数或磁导率张量在某一方向为负值，而在其他两个方向为正值。双曲超材料是一种各向异性材料，这种各向异性结构的超材料具有独特的双曲色散特性。双曲超材料吸波器是一种利用双曲色散特性实现吸收增强的光学元件，这类吸波器件基于金属-介质周期膜堆结构，通过结构参数调控以及膜系设计，在结构中产生光场局域和电磁场增强效应，实现光吸收率的增强。这类结构可以根据需要灵活选取膜层数以及膜层材料，制造工艺较简单，吸收性能好，在成像系统、微型天线、智能通信以及光电探测等领域有重要应用价值。近年来，研究发现将双曲超材料与微纳结构相结合可以增强光吸收率，主要有两种方式：第一种是在双曲超材料膜堆上方引入微结构，通过微结构调控入射光在双曲超材料膜堆中的电磁场增强，实现光吸收率的增强；第二种方法是基于双曲超材料的微结构设计，通过微结构面型优化，比如采用锯齿状一维光栅结构，或二维锥状微结构阵列，实现光吸收率的增强。上述方法尽管均基于双曲超材料微结构实现的吸收增强，且光吸收效率高，但均针对宽带吸收，所获得的吸波器不具备良好的选择性吸收功能。
技术实现思路
本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。鉴于上述和/或现有的双曲超材料吸波器中存在的问题，提出了本专利技术。因此，本专利技术其中的一个目的是提供一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其通过调节光栅脊宽度，可以选择吸收峰位置，且结构的选择性吸收特性对金属-介质膜堆数变化不敏感，选择性吸收特性好。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其包括，在双曲超材料膜堆的双曲色散特性基础上，将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，得到双曲超材料光栅，并利用所述双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料膜堆为金属-介质周期膜堆。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述入射光为TM偏振光，并选取其波段为可见光到近红外。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：当所述金属-介质周期膜堆的一个周期的厚度tm+td远小于入射光波长λ时，金属-介质周期膜堆可以等效为一个各向异性的均匀媒质，对于沿平行和垂直于金属-介质交界面方向的电场，其等效介电常数ε||和ε⊥分别为：ε||＝fεm(ω)+(1-f)εd、1/ε⊥＝[f/(εm(ω))]+[(1-f)/εd]；其中，εm和εd分别为金属和介质的介电常数，f＝tm/(tm+td)。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：当所述等效介电常数ε||或ε⊥小于零时，所述金属-介质周期膜堆具有双曲色散特性，并在所述双曲波段内表现出双曲色散曲线。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，其为，所述双曲超材料膜堆通过等距阵列排布形成以光栅周期P为固定周期的双曲超材料光栅。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：所述双曲超材料光栅的光栅周期P小于入射光波长λ。作为本专利技术所述利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法的一种优选方案，其中：吸收光谱曲线在所述双曲波段内具有吸收峰，所述双曲超材料光栅能够在所述吸收峰处实现光吸收率的选择性吸收增强；通过改变光栅脊的宽度，能够调整所述吸收峰所对应的波段的位置，通过选择不同的光栅脊宽度W能够选择性吸收入射光中不同波段的光。本专利技术的另一个目的是提供一种吸波器，其基于所述双曲超材料光栅，具备优良的选择性吸收特性。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种吸波器，其包括所述双曲超材料光栅，所述双曲超材料光栅由所述双曲超材料膜堆进行横向等距阵列形成，且所述双曲超材料光栅为亚波长光栅结构，其光栅周期P小于入射光波长λ；所述双曲超材料膜堆由金属和介质依次堆叠形成。作为本专利技术所述吸波器的一种优选方案，其中：所述双曲超材料光栅为自支撑结构或带基底结构，所述带基底结构为将所述双曲超材料光栅设置于基底上，所述基底为所述双曲超材料的支撑物。本专利技术的有益效果：本专利技术通过通过调节光栅脊宽度，可以实现吸收峰位置的选择，且结构的选择吸收特性对金属-介质膜堆数以及入射光的入射角度不敏感，具有很高的实验容差，选择性吸收特性好，并可以灵活选取光栅膜堆数来实现对入射光的优良选择吸波性能。因此，本专利技术在增强纳米成像、隐身材料、光电探测、生物传感等领域有应用前景。实际应用中可以根据需要灵活选取恰当的膜堆数。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一、二个实施例所述的整体结构示意图。图2为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的等效介电常数分量ε||和ε⊥随波长变化的曲线图。图3为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的光栅脊宽度W＝375nm时的吸收光谱曲线图。图4为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的光栅脊宽度W发生变化时的吸收光谱曲线图。图5为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的膜堆数发生改变时的吸收光谱曲线图。图6为本专利技术利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器第一个实施例所述的入射角发生变化时的吸收光谱曲线图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。参照图1～3，为本专利技术第一个实施例，该实施例提供了一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法。由图1可知：本专利技术提出一种利用双曲超材料光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：包括，在双曲超材料膜堆的双曲色散特性基础上，将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，得到双曲超材料光栅，并利用所述双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。

【技术特征摘要】
1.一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：包括，在双曲超材料膜堆的双曲色散特性基础上，将双曲超材料膜堆调整为亚波长光栅结构，得到双曲超材料光栅，并利用所述双曲超材料光栅自身的电磁场增强效应，实现光吸收率的选择性吸收增强。2.如权利要求1所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述双曲超材料膜堆为金属-介质周期膜堆。3.如权利要求1或2所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：所述入射光为TM偏振光，并选取其波段为可见光到近红外。4.如权利要求3所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：当所述金属-介质周期膜堆的一个周期的厚度tm+td远小于入射光波长λ时，金属-介质周期膜堆可以等效为一个各向异性的均匀媒质，对于沿平行和垂直于金属-介质交界面方向的电场，其等效介电常数ε||和ε⊥分别为：ε||＝fεm(ω)+(1-f)εd；1/ε⊥＝[f/(εm(ω))]+[(1-f)/εd]；其中，εm和εd分别为金属和介质的介电常数，f＝tm/(tm+td)。5.如权利要求4所述的利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法，其特征在于：当所述等效介电常数ε||或ε⊥小于零时，所述金属-介质周期膜堆具有双曲色散特性，并在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑田，齐红龙，王啦，尹欣，王继成，王跃科，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32