專利名稱：一種光波段吸波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學器件，特別涉及一種光波段吸波器。
背景技術：
吸波材料是涉及光學及微波領域的一種材料，它在電磁屏蔽、探測及隱身材料等領域得到了令人矚目的應用。傳統(tǒng)的吸波材料主要包括以下幾種鐵氧體，金屬微粉，鈦酸鋇、碳化硅、石墨以及導電纖維等。傳統(tǒng)的吸波材料以強吸收為主要目標，但它們通常存在吸收頻帶窄、密度大等特點。新型吸波材料包括納米材料、多晶鐵纖維、“手征”材料等，目標是要滿足“薄、寬、輕、強”這幾個特點，即(I)在工作頻帶中，使入射到材料內(nèi)部的電磁波在盡量薄得厚度被快速損耗吸收；(2)在足夠?qū)挼念l帶范圍內(nèi)實現(xiàn)較好的吸波特性；(3)要求吸收材料面密度小，重量輕；(4)有較高的力學性能及良好的環(huán)境適應性和理化性能。
新型吸波材料的研究最早由美國波士頓學院的研究人員N. I. Landy等人首先提出，JAL N. I. Landy,等.“Perfect metamaterial absorber,，，Physical reviewletter, 100, 207402 (2008) 他們利用開口諧振環(huán)(SRR)及切口金屬線(Cut wire)所構成的面型雙層結構，在11. 5GHz實現(xiàn)了 88%的吸波效率。但該吸波材料的工作頻段較窄，且只能吸收沿某一方向振動的線偏振電磁波(即具有偏振相關性)。隨后，許多研究人員提出了更多的面型雙層結構，實現(xiàn)了線偏振無關性、多吸收峰以及滿足寬入射角等性能。當前所提出的新型吸波材料，其吸波效應主要依賴于上下兩層之間的電磁諧振，因而工作頻帶極窄，極大的限制了它們在熱輻射探測、太陽能利用以及隱身材料等領域的應用。其次，它們的偏振無關特性適用于線偏振電磁波，而對于圓偏振電磁波的吸波材料尚未有所報道，后者在通訊、傳感及軍事偵測等領域具有廣泛應用。另外，這些研究主要集中在微波，鈦赫茲及遠紅外頻段，而工作于可見光和進紅外頻段的新型吸波材料鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種光波段吸波器，目的是在可見光 近紅外波段具有寬頻和偏振無關的吸波特性，且器件尺寸小、結構緊湊、易于集成。本發(fā)明的一種光波段吸波器，在石英玻璃基板上沉積有N個均勻分布的金屬線柵單元，金屬線柵單元的材料為鋁，N ^ IO6 ;其特征在于每個金屬線柵單元均由三根直徑相同的金屬螺旋線構成，金屬螺旋線直徑為20 40納米，三根金屬螺旋線的螺旋手性相同，且金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑為100 200納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)為2 5，節(jié)距為100 300納米；各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距為170 210納米。所述光波段吸波器的制備方法，包括下述步驟(I).在石英玻璃基板表面沉積導電膜；
(2).在導電膜上旋涂光刻膠；(3).通過深紫外相干刻蝕，在光刻膠中形成幾十納米量級N個均勻分布的圓形螺旋狀空氣隙，NS IO6 ;每個圓形螺旋狀空氣隙均由三個直徑相同的螺旋空氣隙構成，螺旋空氣隙直徑為20 40納米，三個螺旋空氣隙的螺旋手性相同，且螺旋空氣隙的垂直投影為圓形，圓形直徑為100 200納米，螺旋空氣隙的有效圈數(shù)為2 5，節(jié)距為100 300納米；各圓形螺旋狀空氣隙呈正方形排列，每個圓形螺旋狀空氣隙的螺旋空氣隙螺旋手性與其上下左右相鄰的四個圓形螺旋狀空氣隙的螺旋空氣隙螺旋手性相反，各圓形螺旋狀空氣隙間距為170 210納米；(4).通過電化學沉積，在N個均勻分布的圓形螺旋狀空氣隙中沉積金屬鋁材料，形成由三根直徑相同的金屬螺旋線構成的金屬線柵單元；(5).除去金屬線柵單元之間的光刻膠。
在制備過程中，步驟(3)和步驟(4)是比較重要的兩個步驟。形成幾十納米線寬的結構對于一般光刻來講有一定難度，2007年美國一研究小組成功的運用深紫外相干刻蝕的方法得到了大范圍線寬小于40納米的金屬線柵結構，見J. J. Wang, F.Walters, X. M. Liu, P. Sciortino, and X. G. Deng, “High-performance, large area, deepultraviolet to infrared polarizers based on 40nm line/78 nm space nanowiregrids, ”Appl. Phys. Lett. 90, 61104(2007);這為步驟(3)的實施提供了依據(jù)。另外，運用電化學沉積的方法在螺旋結構中沉積金屬材料也是完全可行的，見Justyna K. Gansel,等.“Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband,’’Science325，1513(2009)。本發(fā)明器件尺寸小、結構緊湊、易于集成，由體三維結構構成吸波原件的基本單元一金屬線柵單元，通過調(diào)整和優(yōu)化金屬線柵單元的參數(shù)，如金屬線柵直徑、有效圈數(shù)等，本發(fā)明在0. 37iim I. 7 iim工作波長范圍平均吸波率為90. 3%，在0. 5 y m波長處具有97. 8%的吸收峰值，與背景技術部分對比文獻中的吸波器相比，本發(fā)明能夠覆蓋可見光和近紅外頻段的寬頻吸波，彌補了面型雙層結構工作頻帶窄的缺陷；實現(xiàn)了具有偏振無關性的吸波特性，適用于熱輻射探測、太陽能利用、光衰減以及隱身材料等領域。


圖I (a)為本發(fā)明的結構示意圖；圖I (b)為本發(fā)明的俯視圖；圖I (C)為本發(fā)明的側(cè)視圖；圖2為實施例I的光學特性曲線；圖3為實施例2的光學特性曲線；圖4為實施例3的光學特性曲線；圖5為實施例4的光學特性曲線；圖6為實施例5的光學特性曲線；圖7 Ca) 圖7 Ce)為本發(fā)明的制備方法工藝流程圖。
具體實施方式
如圖I (a)、圖I (b)、圖I (C)所示，本發(fā)明在石英玻璃基板I上沉積有N個均勻分布的金屬線柵單元2，金屬線柵單元的材料為鋁，N彡IO6 ;每個金屬線柵單元均由三根直徑相同的金屬螺旋線構成，金屬螺旋線直徑DW為20 40納米，三根金屬螺旋線的螺旋手性相同，且金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為100 200納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP為2 5，節(jié)距P為100 300納米；如圖I (b)所示，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，圖I (b)中，用L和R分別表示左手螺旋手性和右手螺旋手性，各金屬線柵單元間距SG為170 210納米。實施例I :石英玻璃基板上沉積有IO6個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵單元，金屬螺旋線直徑DW為20納米，金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為100納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP等于3，節(jié)距P為300納米，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋·手性相反，各金屬線柵單元間距SG等于170納米。圖2所示為實施例I的光學特性曲線，左旋圓偏光和右旋圓偏光的特性曲線完全相同，因此圖2僅描繪左旋圓偏光的特性曲線。圖中，空心矩形框描繪的曲線為圓偏振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為圓偏振光反射率，黑色實心框描繪的曲線為吸收率；本實施例工作波長范圍、平均吸收率、峰值吸收率分別為0. 37 I. 70微米、90. 3%,97. 8%。實施例2 :石英玻璃基板上沉積有IO6個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵單元，金屬螺旋線直徑DW為20納米，金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為100納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP等于2，節(jié)距P為100納米，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距SG等于170納米。圖3所示為實施例2的光學特性曲線，左旋圓偏光和右旋圓偏光的特性曲線完全相同，因此圖3僅描繪左旋圓偏光的特性曲線。圖中，空心矩形框描繪的曲線為圓偏振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為圓偏振光反射率，黑色實心框描繪的曲線為吸收率；本實施例工作波長范圍、平均吸收率、峰值吸收率分別為0. 31 0. 72微米、83. 4%,90. 8%。實施例3 :石英玻璃基板上沉積有5 X IO6個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵單元，金屬螺旋線直徑DW為20納米，金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為200納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP等于3，節(jié)距P為300納米，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距SG等于210納米。圖4所示為實施例3的光學特性曲線，左旋圓偏光和右旋圓偏光的特性曲線完全相同，因此圖4僅描繪左旋圓偏光的特性曲線。圖中，空心矩形框描繪的曲線為圓偏振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為圓偏振光反射率，黑色實心框描繪的曲線為吸收率；本實施例工作波長范圍、平均吸收率、峰值吸收率分別為0. 53 I. 70微米、91. 5%,98. 3%。實施例4 :石英玻璃基板上沉積有IO6個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵單元，金屬螺旋線直徑DW為40納米，金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為100納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP等于5，節(jié)距P為300納米，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距SG等于170納米。圖5所示為實施例4的光學特性曲線，左旋圓偏光和右旋圓偏光的特性曲線完全相同，因此圖5僅描繪左旋圓偏光的特性曲線。圖中，空心矩形框描繪的曲線為圓偏振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為圓偏振光反射率，黑色實心框描繪的曲線為吸收率；本實施例工作波長范圍、平均吸收率、峰值吸收率分別為0. 59 I. 18微米、90. 1%、95. 1%。實施例5 :石英玻璃基板上沉積有IO6個均勻分布的螺旋狀的金屬線柵單元，金屬螺旋線直徑DW為20納米，金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑DH為100納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)NP等于3，節(jié)距P為300納米，各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距SG等于210納米。圖6所示為實施例5的光學特性曲線，左旋圓偏光和右旋圓偏光的特性曲線完全 相同，因此圖6僅描繪左旋圓偏光的特性曲線。圖中，空心矩形框描繪的曲線為圓偏振光透過率，空心三角形框描繪的曲線為圓偏振光反射率，黑色實心框描繪的曲線為吸收率；本實施例工作波長范圍、平均吸收率、峰值吸收率分別為0. 41 I. 35微米、84. 7%,99. 7%。圖7 Ca) 圖7 Ce)所示為本發(fā)明的制備方法工藝流程圖。圖7 (a):在石英玻璃基板表面沉積導電膜；圖7 (b):在導電膜上旋涂光刻膠；圖7 (c):通過深紫外相干刻蝕，在光刻膠中形成幾十納米量級N個均勻分布的圓形螺旋狀空氣隙，NS IO6 ;每個圓形螺旋狀空氣隙均由三個直徑相同的螺旋空氣隙構成，螺旋空氣隙直徑為20 40納米，三個螺旋空氣隙的螺旋手性相同，且螺旋空氣隙的垂直投影為圓形，圓形直徑為100 200納米，螺旋空氣隙的有效圈數(shù)為2 5，節(jié)距為100 300納米;各圓形螺旋狀空氣隙呈正方形排列，每個圓形螺旋狀空氣隙的螺旋空氣隙螺旋手性與其上下左右相鄰的四個圓形螺旋狀空氣隙的螺旋空氣隙螺旋手性相反，各圓形螺旋狀空氣隙間距為170 210納米；圖7 (d):通過電化學沉積，在N個均勻分布的圓形螺旋狀空氣隙中沉積金屬鋁材料，形成由三根直徑相同的金屬螺旋線構成的金屬線柵單元；圖7 Ce):除去金屬線柵單元之間的光刻膠，最終形成光波段吸波器。
權利要求
1.一種光波段吸波器，在石英玻璃基板上沉積有N個均勻分布的金屬線柵單兀,金屬線柵單元的材料為鋁，N ^ IO6 ;其特征在于 每個金屬線柵單元均由三根直徑相同的金屬螺旋線構成，金屬螺旋線直徑為20 40納米，三根金屬螺旋線的螺旋手性相同，且金屬螺旋線的垂直投影為圓形，圓形直徑為100 200納米，金屬螺旋線的有效圈數(shù)為2 5，節(jié)距為100 300納米； 各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的金屬螺旋線螺旋手性相反，各金屬線柵單元間距為170 210納米。
全文摘要
一種光波段吸波器，屬于光學器件，目的是在可見光～近紅外波段具有寬頻和偏振無關的吸波特性，且器件尺寸小、結構緊湊、易于集成。本發(fā)明在石英玻璃基板上沉積N個均勻分布的金屬線柵單元，每個金屬線柵單元均由三根金屬螺旋線構成，三根金屬螺旋線的螺旋手性相同，且垂直投影為圓形；各金屬線柵單元呈正方形排列，每個金屬線柵單元的螺旋手性與其上下左右相鄰的四個金屬線柵單元的螺旋手性相反。本發(fā)明器件尺寸小、結構緊湊、易于集成，能夠覆蓋可見光和近紅外頻段的寬頻吸波，具有偏振無關性的吸波特性，適用于熱輻射探測、太陽能利用、光衰減以及隱身材料等領域。
文檔編號G02B5/00GK102778708SQ201210259930
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權日2012年7月20日
發(fā)明者楊振宇, 趙茗, 陸澤欽 申請人:華中科技大學