兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构

1.本发明属于红外电磁波束控制超材料、电磁吸波材料领域，具体涉及一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构。


背景技术：

2.红外辐射光谱控制技术在众多领域具有重要的应用价值，尤其在红外成像、分子生物传感、信息通讯、军事红外伪装等方面战略意义重大。相较于传统红外辐射控制材料，基于微纳结构的红外电磁超材料在设计上更加灵活，实现的功能，如红外宽带电磁吸收、电磁波束异向散射方向控制等，愈发的多样化、集成化。当前应用于红外伪装的材料，大多为低发射率涂层或具有选择性吸收功能的电磁超材料，通常仅具备对目标自身发射率的控制特性，无法实现对红外探测光束(如波长为10.6微米的中红外光、波长为1.55微米的近红外光)的异向偏转。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，包括衬底，以及位于衬底之上的、m
×
n阵列排列的多功能结构单元；
6.所述多功能结构单元由l个1
×
l排列的单元组成，所述单元的相位补偿值自左向右从到2π、以的间隔等间距依次递增设置，所述单元包括自下而上依次设置的高介电低损耗相位补偿层3、低介电低损耗电磁隔离层4和宽带选择性电磁吸波结构；
7.所述宽带选择性电磁吸波结构包括自下而上依次设置的第一金属电磁波反射层5、zns层6、第二金属电磁波反射层7、hfo2层8、第三金属电磁波反射层9、y2o3层10、第四金属电磁波反射层11；
8.所述宽带选择性电磁吸波结构为边长1.4μm的正方形。
9.其中，m为大于5的整数，n为大于1的整数，l为大于2的整数。
10.进一步的，所述衬底包括自下而上依次设置的金属反射层1和低介电低损耗介质填充层2。
11.进一步的，所述金属反射层1为al、au、ag等，厚度大于200nm。
12.进一步的，所述低介电低损耗介质填充层2和低介电低损耗电磁隔离层4采用相对介电常数低于2且损耗角正切值低于0.01的材料，具体为mgf2、baf2、caf2等，厚度为0.3～2μm。
13.进一步的，所述高介电低损耗相位补偿层3采用相对介电常数高于4且损耗角正切值低于0.01的材料，具体为pbte、pbs、znse等，厚度为2～5μm。
14.进一步的，所述高介电低损耗相位补偿层3和低介电低损耗电磁隔离层4为长1.4～3.2μm、宽1.4～3.2μm的矩形。
15.进一步的，所述第一金属电磁波反射层5、第二金属电磁波反射层7、第三金属电磁波反射层9和第四金属电磁波反射层11采用al、au、ag等材料，厚度为50～150nm。
16.进一步的，所述zns层6的厚度为0.05～0.15μm，所述hfo2层8的厚度为0.05～0.1μm，所述y2o3层的厚度为0.05～0.15μm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.1、本发明提供的一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，通过高介电低损耗相位补偿层实现探测光束的异向偏转，同时，采用正方形的宽带选择性电磁吸波结构，实现了5-8μm波段的宽带高发射率、8-14μm波段低发射率的特性，有效降低了目标体被探测的概率，满足军事领域对红外辐射抑制及辐射降温的要求。
19.2、本发明提供的一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，高介电低损耗相位补偿层和低介电低损耗电磁隔离层为长方形，长方形非中心对称图形带来的极化选择性(te极化波与tm极化波)赋予了该结构对红外探测光束(如波长为10.6微米的中红外光、波长为1.55微米的近红外光)各极化反射波不同的异向反射特性。
20.3、本发明提供的一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，通过在金属反射层1和高介电低损耗相位补偿层3之间设置低介电低损耗介质填充层2，实现了电磁吸波结构的金属反射层1和高介电低损耗相位补偿层3的有效分离，形成了高/低介电常数边界条件，确保高介电低损耗相位补偿层不受金属反射层的金属边界影响。
附图说明
21.图1为本发明提供的一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构的层叠结构示意图；
22.图2为本发明提供的一种兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构的示意图(a)及单元的示意图(b)；
23.图3为一维条件下实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构中，10个单元的电磁波反射率及反射相位图；(a)入射波为tm模式时的反射率，(b)入射波为tm模式时的反射相位，(c)入射波为te模式时的反射率，(d)入射波为te模式时的反射相位；
24.图4为一维条件下实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构对波长为10.6μm的反射波束电场分布图；(a)tm模垂直入射条件下的反射波电场e
x
分布图，(b)te模垂直入射条件下的反射波电场ey分布图；
25.图5为实施例的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构在5-14μm范围的选择性辐射光谱图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
27.实施例
28.如图1和图2所示，实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁
周期结构包括al金属反射层1(长度＝192μm，宽度＝192μm，厚度h＝0.25μm)、mgf2介质填充层2(长度＝192μm，宽度＝192μm，厚度h＝1.5μm)，以及位于填充层之上的、6
×
6阵列排列的多功能结构单元；所述多功能结构单元由10个1
×
10排列的单元(图2b)组成，10个单元的相位补偿值自左向右依次为π，2π，所述单元包括自下而上依次设置的pbte层、mgf2层(长度＝1.5μm，宽度＝1.7μm，厚度h_mgf2＝0.3μm)，al层(长＝1.4μm，宽＝1.4μm，厚度h_al＝0.05μm)，zns层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_zns＝0.09μm)，al层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_al＝0.05μm)，hfo2层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_hfo2＝0.06μm)，al层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_al＝0.05μm)，y2o3层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_y2o3＝0.12μm)，al层(长＝1.4μm，宽度＝1.4μm，厚度h_al＝0.05μm)。
29.实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构中，为了实现10个单元的相位补偿值自左向右依次为π，π，2π，10个单元中，pbte层的尺寸bx/by(边长)依次设置为：unit 1：b
x
＝1.5μm/by＝1.5μm；unit 2：b
x
＝1.458μm/by＝1.493μm；unit 3：b
x
＝1.583μm/by＝2.192μm；unit 4：b
x
＝1.456μm/by＝2.043μm；unit 5：b
x
＝1.435μm/by＝1.855μm；unit 6：b
x
＝1.425μm/by＝1.735μm；unit 7：b
x
＝1.402μm/by＝1.672μm；unit 8：b
x
＝1.828μm/by＝1.467μm；unit 9：b
x
＝1.622μm/by＝1.501μm；unit 10：b
x
＝1.544μm/by＝1.432μm。
30.图3为一维条件下实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构中，10个单元的电磁波反射率及反射相位图；(a)入射波为tm模式时的反射率，(b)入射波为tm模式时的反射相位，(c)入射波为te模式时的反射率，(d)入射波为te模式时的反射相位。由图3可知，10个单元在28.3thz处的反射系数r及电磁相位响应特性及电磁相位响应(λ0＝10.6μm，f0＝28.3thz)依次为：unit 1：pha
ex
＝-1
°
/ref
ex
＝0.97，pha
ey
＝0
°
/ref
ey
＝0.97；unit2：pha
ex
＝71
°
/ref
ex
＝0.96，pha
ey
＝36
°
/ref
ey
＝0.97；unit 3：pha
ex
＝144
°
/ref
ex
＝0.96，pha
ey
＝73
°
/ref
ey
＝0.96；unit 4：pha
ex
＝-144
°
/ref
ex
＝0.96，pha
ey
＝107
°
/ref
ey
＝0.96；unit 5：pha
ex
＝-71
°
/ref
ex
＝0.97，pha
ey
＝145
°
/ref
ey
＝0.95；unit 6：pha
ex
＝1
°
/ref
ex
＝0.97，pha
ey
＝-179
°
/ref
ey
＝0.96；unit 7：pha
ex
＝71
°
/ref
ex
＝0.96，pha
ey
＝-145
°
/ref
ey
＝0.96；unit 8：pha
ex
＝145
°
/ref
ex
＝0.95，pha
ey
＝-107
°
/ref
ey
＝0.97；unit 9：pha
ex
＝-143
°
/ref
ex
＝0.97，pha
ey
＝-74
°
/ref
ey
＝0.97；unit 10：pha
ex
＝-77
°
/ref
ex
＝0.96，pha
ey
＝-40
°
/ref
ey
＝0.97。可知，一方面，每个单元在λ0＝10.6μm(f0＝28.3thz)的电磁反射系数均满足|r|》0.9的条件，确保该超材料的高效工作性能；另一方面，10个单元对反射电场ex(ey)的相位响应均覆盖了0-2π的范围，将其沿x方向一维排列便组成了电磁相位响应梯度渐变(tm模反射波相位梯度为δphy
ex
＝72
°
，te模反射波相位梯度为δphy
ey
＝72
°
36
°
)的子阵列。最终将子阵列在笛卡尔坐标系中分别沿x与y周期排列(λ
x
＝36μm，λy＝3.6μm)所形成的超材料可实现对反射电磁波束的异向偏折效果。
31.图4为一维条件下实施例提供的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构对波长为10.6μm的反射波束电场分布图；(a)tm模垂直入射条件下的反射波电场ex
分布图，(b)te模垂直入射条件下的反射波电场ey分布图。由图4可知，当入射红外波为tm模时，电磁周期结构对沿-z方向垂直入射的平面波产生的反射电场e
x
如图(a)所示。与传统材料界面处电场垂直反射特征不同，此时反射电场e
x
呈现异常的散射现象。首先电场e
x
强弱呈现规律的交替分布，其中等场强线为波前，与波前垂直的箭头为波前向。因此判断反射电磁波形成了稳定的波束指向，规律分布的波前向证明e
x
反射场可在空间中沿箭头指向的方向有效传输；其次，波前向箭头与z轴相交形成一个夹角θ
ex
即为异常散射角。θ
ex
可依据广义斯涅尔定律计算获得：
[0032][0033]
其中，λ表示为入射波波长(本结构中λ＝λ0＝10.6μm),n为超材料一维方向上覆盖0-2π相位的单元个数(本实施例中电磁周期结构对ex反射电磁场相位响应每5个单元即可覆盖0-2π，即n
ex
＝5；对ey反射电磁场相位响应每10个单元覆盖0-2π，即n
ey
＝10)，p为单元排列周期(本结构单元周期为p＝3.2μm)。由此可求得θ
ex
＝41.5
°
，即该电磁周期结构对tm模反射波束产生了41.5
°
的异向偏折效果。当入射红外波束为te模式时，结构产生的反射电场ey分布图如图(b)所示。依据上述参数及广义斯涅尔定律可知θ
ex
＝19.3
°
，即此电磁周期结构对te模反射波束产生了19.3
°
的异向偏折效果。综上，本发明电磁周期结构成功实现对波长为10.6μm的tm、te反射波束的异向偏折功能。
[0034]
图5为实施例的兼具选择性吸收及波束异向反射功能的红外电磁周期结构在5-14μm范围的选择性辐射光谱图。由图5可知，在红外电磁波(te模或tm模)垂直入射至电磁周期结构表面时，电磁周期结构在5-8μm具有宽带高发射率，发射率最大值ε
max
＝1(λ
ε＝1
＝6.55μm)，高发射率带宽δλ
ε》0.7
＝0.8μm；电磁周期结构在8-14μm波段整体上表现为低发射率，最低发射率ε
min
＝0.01(λ
ε＝0.01
＝8.28μm)。由于电磁周期结构中存在pbte相位补偿层，在该波段内不可避免地引入了若干杂散电磁谐振响应，使电磁周期结构在λ1＝8.77μm、λ2＝9.77μm、λ3＝12.31μm、λ4＝13.76μm等位置存在若干窄带高发射率峰，但根据图5可知对带内整体低发射率性能的影响极其有限。此外，电磁周期结构对于te/tm模的垂直入射波表现为相同的红外发射率特性，能够有效实现红外宽带选择性电磁吸波的功能。