超宽带中红外超材料吸收器的光学性能分析

王丹 黄金英

(长春电子科技学院 吉林长春 130000)

电磁超材料吸收器具有谐振特点，具备的吸收频率和结构有着很强的相关性，很多结构都表现为窄带吸收，很多科研机构对宽带红外超材料吸收器方面投入研发力量，把不同尺寸单元结构进行整合并置到相同周期结构内，结合此结构具备的谐振特性，每个尺寸单元结构均对应吸收峰，多尺寸单元结构进行结合可形成一个吸收带，采用该技术可以对带宽进行有效拓展，但由于拓展以后的带宽仍无法满足需要，还应该进一步提升平均吸收率。同时，采用多尺寸结构来给制造工艺带来困难，应用单一尺寸结构来设计超宽带是需要解决的问题，基于中红外波段来设计单一尺寸结构化吸收器，随着入射光角度发展改变时，吸收带宽度和吸收率并没有发生显著改变，具有良好的光学吸收性能。

1 电磁超材料与吸收器

传统电磁材料受到质量、体积等因素的制约无法发挥了应有的潜力，电磁超材料具备特性与结构中材料性质、占比、尺寸、排列和组合方式等有着直接关系，可实现对电磁波相位、振幅和偏状态进行调整，可以形成多种超常规物理现象。很多天然电磁材料的介电常数与磁导率均大于零，采用特定的人工结构设计成的电磁超材料可以将上述性能变为负值而作为负折射率材料。一般情况下，厚度低于波长10%的电磁超材料均可称作二维电磁超表面，具有质量小、体积轻等方面的优势，随着微纳米加工技术的不断发展，二级超表面已经变成现实[1]。

电磁波在传递过程中，如果遇到物体会有部分电磁波被物体吸收，借助电磁波吸收器，可以对传递的电磁波吸收，将吸收的电磁波转变为其他能量，人们借助电磁超材料，可以对电磁波进行控制，使结构与入射电磁波发生耦合作用，电磁波能量的吸收过程中可在特定频率或频宽，同时，还应人工控制电磁波的反射和透射，确保与阻抗进行匹配，电磁波吸收器将会吸收更多的电磁波，转变为分子动能。为了良好地控制电磁波透射性能，应注重对衰减特性材料的选择，将电磁波吸收器内部的电磁波加速度衰减。吸收器由底层反射金属、中间介质层和顶层构成，电场分量一般是由入射电磁波和电谐振环共振作用，使两层金属构建起的磁偶极子共振用于吸收磁场分量，不会存在反射和透射电磁波。随着科学技术的不断发展，对吸收器性能提出了更高的要求，对超材料吸收器的研究变得更为深入。空气中的水、二氧化碳和臭氧等分子对红外光线具有较强有吸收和散射效果[2]，部分红外光线不会在地面与外太空传输，但一些特定波段的红外光线可以穿透大气层，电磁超材料吸收器在对此可见光波段有着很好的吸收率。中红外波段波长区间为8～13 μm，现有的中红外波段吸收器并不能很好地满足实际应用需要。

2 宽带中红外超材料吸收器的结构与建模

2.1 结构及参数

单一尺寸图案化结构如图1 所示，采用金属钛作为最底层，可对电磁波起到阻挡作用，厚度要超过工作波段趋肤深度，厚度确定为0.1 μm。钛金属为介质层，选择二氧化硅材料，可对图案化结构起到支撑作用，二氧化硅上面为薄钛膜，可对表面等离子激元形成的共振频率进行调控，采取为MIM 结构。结构上方填置图案化钛结构，吸收器需要不对入射光极化方向产生敏感，采取方块TI 结构。采用薄膜沉积技术来逐次制备钛膜、二氧化钛膜、钛膜，应用微纳米加工技术形成钛方块阵列[3]。方块钛厚度h1的区间为0.9～2.9 μm，宽度W的区间为1.1～3.3 μm，相邻方块间隙g为0.8～1.4 μm，薄层钛膜厚度h2区间0.001～0.011 μm、介质层二氧化厚度h3为0.1 μm、反射层钛厚度h4为0.1 μm，结构周期P为2.9～3.5 μm，具体结构参数及取值范围具体如表1所示[4]。

图1 单一尺寸图案化结构图

表1 结构参数及取值范围表

2.2 结构建模

采用有限元方法以对数值进行分析与研究，吸收器x、y两个方向都作为周期性边界条件，入射光以Z轴方向入射，环境介质为空气。吸收率A=1-R-T，R作为反射率，取为|S11|2，T为透射率，取为|S21|2。底层金属厚度h4为0.1 μm，超过入射光在金属材料中的趋肤深度，不存在光透过现象，则T取为0，公式可简化为A=1-R。选择频域求解器，波长与长度单位为μm，二氧化硅和钛材料，绘图建模并定义Zmax入射源，频率区间为7～14 μm，确定边界条件x、y和z，划分自适应网格，对特定频率条件下的电场与磁场分布进行监测，把参数导出并采用公式进行计算，绘制吸收谱与电场分布图。超材料吸收器的建模步骤如图2所示[5]。

图2 超材料吸收器的建模步骤表

3 超宽带中红外超材料吸收器光学性能影响

3.1 光学性能分析

电磁波正常入射至吸收器，进行仿真并绘制吸收率曲线图。吸收器对入射光极化方向具有敏感性是影响吸收率的关键因素，计算在TE、TM两种不同偏振模式下吸收曲线进行请算，从计算结果发现两条曲线为基本重合状态，也就是在电磁波垂直入射时不对方向产生敏感，这是由于结构为完全对称状态。该结构在10.2 μm、8.44 μm 时存在吸收峰，10.2 μm 吸收峰附近在带宽为0.92 μm区间（9.77～10.69 μm）内的吸收率可达到99%，此带宽为中红外波段的18.4%；在8.44 μm吸收峰附近带宽为0.36 μm 区间（8.29～8.65 μm）内的吸收率可达到97%。在上述两个峰附近存在着优异的吸收性能[6]。

为深入分析与研究吸收器宽带高吸收机理，监测垂直入射TE电磁波电场分布，发现二氧化硅介质层和顶层钛薄膜界面电场分布具有更为明显的特征，电场分布主要集中于钛金属方块正方、相邻方块钛间隙两个区域。而吸收器于8.44 μm 波长，钛方块下方区域电场分布强度最高，其他钛方块下方区域电场强度减小；而10.2 μm 波长，相邻方块钛间隙电场分布最强，其他波长的相邻方块钛间隙的电场强度也在变小。

吸收谱首个吸收峰为相邻方块钛间隙电场生成，第二个吸收峰是位于钛方块下方区域，集中存在着高强度电场，吸收谱于短波的吸收知是因为吸收器生成传播表面等离子体激元共振，电场存在于钛方块正下方；长波长吸收峰是由于表面等离子体共振引起的，电场集中于相邻方块钛间隙部位。上述两种共振模式的共同作用，吸收器位于8～13 μm区间内，电场集中存在于钛方块下方和相邻方块钛间隙部位，这样就可以对中红外波段宽带进行吸收[7]。

3.2 钛薄膜对性能的影响

与不添加薄层钛金属吸收器进行对比来看，存在薄层钛金属吸收器在中红外波段具有更高的吸收率，中间的钛膜具有关键作用，如果吸收器不存在中间钛膜，则为三层典型结构，吸收性能是PSP、LSP 决定，也就是两个吸收峰独立存在，短波长吸收峰是由于PSP共振引起，长波长吸收峰是由LSP 共振引起。结构中填加一定厚度薄层钛膜，导致两个共振峰相临更近，长、短波长吸收峰值都有着很大的提升，也就是两种共振都得到增强，表明该层薄层钛膜对两种共振具有促进作用，吸收器在中红外波段有着更高吸收性能。

为深入分析薄层钛膜对吸收器性能产生的影响，在确保一直相关的参数保持固定前提下，使钛膜厚度从0.001 μm 提升至0.011 μm，对吸收器吸收谱改变情况进行分析。从中可以看出，薄层钛膜厚度比较薄且两个吸收峰分隔得比较开且独立，薄层钛膜不断增厚时，短波的吸收峰向长波方向位移，长波吸收峰随之向短波方向平移，当两个吸收峰逐渐相邻，吸收谱峰值并不存在衰减。当薄层钛膜厚度参数值降低则吸收器带宽区间大，厚度参数值增加则带宽变窄。当钛膜厚度保持0.001 μm时的带宽大，吸收率为95.7%；当钛膜厚度保持0.003 μm则吸收率较0.001 μm时有所提高，数值显示为96.5%。因此，应平衡结合带宽与吸收率之间的关系，确保薄层钛膜厚度保持在0.001～0.005 μm区间，吸收器在中红外波段具有优异性能。这就表明，如果薄层钛膜厚度变薄，吸收器更相以于典型三层结构，吸收谱具有2个明显独立吸收峰，如果吸收峰分得比较开则有着更宽的带宽；薄层钛膜厚度变大，钛膜和顶层方块钛进行结合，与连续结构比较相似，LSP共振吸收变得更弱，吸收谱带宽变窄。通过合理调节薄层钛膜厚度设置吸收率与带宽，吸收器可以在中红外波段有着更宽的带宽和更好的吸收性能[8]。

3.3 钛方块尺寸对性能的影响

钛金属方块人横向尺寸W、纵向尺寸h1，改变横向尺寸的W值，分析每个W值对应的吸收谱。在W值由1.1 μm 提升至2.1 μm 时，吸收率在不断变大，带宽也在相应变宽；W值由2.4 μm 提升至3.3 μm 时，吸收率在不断变小，吸收带宽也相应收窄。这是由于随着W值的不断变大，PSP 共振效果也在不断变强，W值为2.1 μm，吸收器结构在短波长条件下可进行很好的吸收，W值变大以后，钛金属方块占空比超过0.71，LSP共振会导致吸收率变小，吸收率在长波长方向不断变小，可将钛方块横各尺寸确定为2.1 μm。

保证其他结构参数不变，改变h1的数值，钛金属方块晒太阳度h1由0.9 μm 增长至2.9 μm，对不同取值下对应的吸收谱进行分析。钛金属方块厚度对吸收光谱有有着很大的影响。多吸收位置角度进行分析，如果钛金属方块厚度低于0.19 μm，吸收带位于中红外波段中的短波区域；钛金属方块厚充超过1.9 μm，吸收带会向着长波方向移动。而多钛金属方块厚度条件下吸收率角度进行分析，厚度由0.9 μm 增大至1.9 μm，吸收率会不断变强；百度由1.9 μm 增大至2.9 μm，短波方向吸收率呈现了衰减趋势，在长波方向吸收峰会存在红移。为了综合考虑带宽与吸收率，可钛金属方块厚度确定为1.9 μm，可以达到很好的吸收性能。这是由于薄钛方块可使结构更趋于连续平面结构，厚钛方块会使结色效果更好，连续平面结构PSP 吸收效果为更明显，LSP 共振有着很好的吸收效果，在钛方块变厚时，有助于长波方向LSP 吸收，抑制短波方向的PSP吸收[9]。

3.4 钛方块间隙对性能的影响

对相邻钛方块间的间隙进行调整，其他参数不作改变，保持宽度W值不变，通过改变周期P来调整方块间的间隙，由0.8 μm 增大至1.4 μm。方块间隙对带宽有着很大的影响，间隙值小则位于中红外治波段存在显著的两个吸收峰，带宽则比较宽，如果间隙值为0.8 μm，会存在着两个独立的吸收峰，存在着峰谷则对两峰波段吸收率产生影响。间隙从1 μm 增大至1.4 μm，结构化效果变得更加显著，与结构粗糙度增大较为相似，这对PSP吸收比较不利，吸收性能会变得更差，因此，间隙值为1 μm具有更好的吸收性能。

3.5 入射光角度对性能影响

吸收光谱对入射光角度产生敏感，其他参数保持不变，调整入射光角度，角度由0°增大至60°。入射光从0°增大至30°时，带宽和吸收率不会发生改变；在入射光角度为40°时，带宽与吸收率会开始变差，表明入射光角度位于30°区间内，都有着很好的吸收性能。

4 结语

综上所述，吸收器不会对入射电磁波极化方向产生很好的敏感性，在中红外波段有着更宽的带宽和更好的吸收性。中间薄层钛膜对PSP、LSP 共振有着很好的促进作用；吸收率与带宽在钛金属方块W值的1.1～2.1 μm区间内，随着W值变大而增强，W值的2.4～3.3 μm区间，吸收光谱变小且带宽也较窄；钛金属方块厚度低于1.9～2.1 μm，吸收带集中于中红外波段的短波区域，当厚度超过1.9～2.1 μm 则会使吸收带向着长波方向移动；相邻钛金属方块间的间隙较小时，吸收峰较为显著，带宽较宽；入射光角度在0°～30°区间，带宽和吸收率不会发生变面，入射光角度在40°时开始变差。