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1、(10)申请公布号 CN 102778708 A (43)申请公布日 2012.11.14 CN 102778708 A *CN102778708A* (21)申请号 201210259930.X (22)申请日 2012.07.20 G02B 5/00(2006.01) (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞瑜路 1037 号 (72)发明人 赵茗 陆泽钦 杨振宇 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 方放 (54) 发明名称 一种光波段吸波器 (57) 摘要 一种光波段吸波器， 属于光学器件， 目的是在 可见光近红外波段具有宽频和偏。
2、振无关的吸波 特性， 且器件尺寸小、 结构紧凑、 易于集成。 本发明 在石英玻璃基板上沉积 N 个均匀分布的金属线栅 单元， 每个金属线栅单元均由三根金属螺旋线构 成， 三根金属螺旋线的螺旋手性相同， 且垂直投影 为圆形 ； 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金 属线栅单元的螺旋手性与其上下左右相邻的四个 金属线栅单元的螺旋手性相反。本发明器件尺寸 小、 结构紧凑、 易于集成， 能够覆盖可见光和近红 外频段的宽频吸波， 具有偏振无关性的吸波特性， 适用于热辐射探测、 太阳能利用、 光衰减以及隐身 材料等领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中。
3、华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种光波段吸波器， 在石英玻璃基板上沉积有 N 个均匀分布的金属线栅单元， 金属 线栅单元的材料为铝， N 106； 其特征在于 ： 每个金属线栅单元均由三根直径相同的金属螺旋线构成， 金属螺旋线直径为 20 40 纳米， 三根金属螺旋线的螺旋手性相同， 且金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径为 100 200 纳米， 金属螺旋线的有效圈数为 2 5， 节距为 100 300 纳米 ； 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下 左右相邻的。
4、四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性相反， 各金属线栅单元间距为 170 210 纳米。 权 利 要 求 书 CN 102778708 A 2 1/4 页 3 一种光波段吸波器 技术领域 0001 本发明属于光学器件， 特别涉及一种光波段吸波器。 背景技术 0002 吸波材料是涉及光学及微波领域的一种材料， 它在电磁屏蔽、 探测及隐身材料等 领域得到了令人瞩目的应用。传统的吸波材料主要包括以下几种 ： 铁氧体， 金属微粉， 钛酸 钡、 碳化硅、 石墨以及导电纤维等。传统的吸波材料以强吸收为主要目标， 但它们通常存在 吸收频带窄、 密度大等特点。新型吸波材料包括纳米材料、 多晶铁纤维、“手征” 。
5、材料等， 目标 是要满足 “薄、 宽、 轻、 强” 这几个特点， 即 （1） 在工作频带中， 使入射到材料内部的电磁波在 尽量薄得厚度被快速损耗吸收 ；（2） 在足够宽的频带范围内实现较好的吸波特性 ；（3） 要求 吸收材料面密度小， 重量轻 ；（4） 有较高的力学性能及良好的环境适应性和理化性能。 0003 新型吸波材料的研究最早由美国波士顿学院的研究人员 N.I.Landy 等人首 先 提 出，见 N.I.Landy, 等 .“Perfect metamaterial absorber,” Physical review letter,100,207402(2008)。他们利用开口谐振环 。
6、（SRR） 及切口金属线 （Cut wire） 所构成 的面型双层结构， 在 11.5GHz 实现了 88% 的吸波效率。但该吸波材料的工作频段较窄， 且只 能吸收沿某一方向振动的线偏振电磁波 （即具有偏振相关性） 。随后， 许多研究人员提出了 更多的面型双层结构， 实现了线偏振无关性、 多吸收峰以及满足宽入射角等性能。 当前所提 出的新型吸波材料， 其吸波效应主要依赖于上下两层之间的电磁谐振， 因而工作频带极窄， 极大的限制了它们在热辐射探测、 太阳能利用以及隐身材料等领域的应用。 其次， 它们的偏 振无关特性适用于线偏振电磁波， 而对于圆偏振电磁波的吸波材料尚未有所报道， 后者在 通讯、 。
7、传感及军事侦测等领域具有广泛应用。另外， 这些研究主要集中在微波， 钛赫兹及远 红外频段， 而工作于可见光和进红外频段的新型吸波材料鲜有报道。 发明内容 0004 本发明提出一种光波段吸波器， 目的是在可见光近红外波段具有宽频和偏振无 关的吸波特性， 且器件尺寸小、 结构紧凑、 易于集成。 0005 本发明的一种光波段吸波器， 在石英玻璃基板上沉积有 N 个均匀分布的金属线栅 单元， 金属线栅单元的材料为铝， N 106； 其特征在于 ： 0006 每个金属线栅单元均由三根直径相同的金属螺旋线构成， 金属螺旋线直径为 20 40 纳米， 三根金属螺旋线的螺旋手性相同， 且金属螺旋线的垂直投影为。
8、圆形， 圆形直 径为 100 200 纳米， 金属螺旋线的有效圈数为 2 5， 节距为 100 300 纳米 ； 0007 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其 上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性相反， 各金属线栅单元间距为 170 210 纳米。 0008 所述光波段吸波器的制备方法， 包括下述步骤 ： 0009 （1） 在石英玻璃基板表面沉积导电膜 ； 说 明 书 CN 102778708 A 3 2/4 页 4 0010 （2） 在导电膜上旋涂光刻胶 ； 0011 （3） 通过深紫外相干刻蚀， 在光刻胶中形成几十纳米量级 N 个均匀分布的。
9、圆形螺 旋状空气隙， N106； 每个圆形螺旋状空气隙均由三个直径相同的螺旋空气隙构成， 螺旋空 气隙直径为2040纳米， 三个螺旋空气隙的螺旋手性相同， 且螺旋空气隙的垂直投影为圆 形， 圆形直径为 100 200 纳米， 螺旋空气隙的有效圈数为 2 5， 节距为 100 300 纳米 ； 0012 各圆形螺旋状空气隙呈正方形排列， 每个圆形螺旋状空气隙的螺旋空气隙螺旋手 性与其上下左右相邻的四个圆形螺旋状空气隙的螺旋空气隙螺旋手性相反， 各圆形螺旋状 空气隙间距为 170 210 纳米 ； 0013 （4） 通过电化学沉积， 在 N 个均匀分布的圆形螺旋状空气隙中沉积金属铝材料， 形成由三。
10、根直径相同的金属螺旋线构成的金属线栅单元 ； 0014 （5） 除去金属线栅单元之间的光刻胶。 0015 在制备过程中， 步骤 （3）和步骤 （4）是比较重要的两个步骤。形成几十纳米 线宽的结构对于一般光刻来讲有一定难度， 2007 年美国一研究小组成功的运用深紫 外相干刻蚀的方法得到了大范围线宽小于 40 纳米的金属线栅结构， 见 J.J.Wang,F. Walters,X.M.Liu,P.Sciortino,and X.G.Deng,“High-performance,large area,deep ultraviolet to infrared polarizers based on 4。
11、0nm line/78 nm space nanowire grids,” Appl.Phys.Lett.90,61104(2007) ； 这为步骤 （3） 的实施提供了依据。另外， 运用 电化学沉积的方法在螺旋结构中沉积金属材料也是完全可行的， 见 Justyna K.Gansel, 等 . “Circular Polarizer Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband， ” Science 325,1513(2009)。 0016 本发明器件尺寸小、 结构紧凑、 易于集成， 由体三维结构构成吸波原件的基本单 元金属线栅单元， 通过调整和优。
12、化金属线栅单元的参数， 如 ： 金属线栅直径、 有效圈数等， 本发明在 0.37m 1.7m 工作波长范围平均吸波率为 90.3%， 在 0.5m 波长处具有 97.8% 的吸收峰值， 与背景技术部分对比文献中的吸波器相比， 本发明能够覆盖可见光和近 红外频段的宽频吸波， 弥补了面型双层结构工作频带窄的缺陷 ； 实现了具有偏振无关性的 吸波特性， 适用于热辐射探测、 太阳能利用、 光衰减以及隐身材料等领域。 附图说明 0017 图 1（a） 为本发明的结构示意图 ； 0018 图 1（b） 为本发明的俯视图 ； 0019 图 1（c） 为本发明的侧视图 ； 0020 图 2 为实施例 1 的光。
13、学特性曲线 ； 0021 图 3 为实施例 2 的光学特性曲线 ； 0022 图 4 为实施例 3 的光学特性曲线 ； 0023 图 5 为实施例 4 的光学特性曲线 ； 0024 图 6 为实施例 5 的光学特性曲线 ； 0025 图 7（a） 图 7（e） 为本发明的制备方法工艺流程图。 具体实施方式 说 明 书 CN 102778708 A 4 3/4 页 5 0026 如图 1（a） 、 图 1（b） 、 图 1（c） 所示， 本发明在石英玻璃基板 1 上沉积有 N 个均匀 分布的金属线栅单元 2， 金属线栅单元的材料为铝， N 106； 每个金属线栅单元均由三根直 径相同的金属螺旋线。
14、构成， 金属螺旋线直径 DW 为 20 40 纳米， 三根金属螺旋线的螺旋手 性相同， 且金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 100 200 纳米， 金属螺旋线的有 效圈数 NP 为 2 5， 节距 P 为 100 300 纳米 ； 0027 如图 1（b） 所示， 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线栅单元的金属螺旋线 螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性相反， 图 1（b） 中， 用 L 和 R 分别表示左手螺旋手性和右手螺旋手性， 各金属线栅单元间距 SG 为 170 210 纳 米。 0028 实施例 1 ： 石英玻璃基板上沉积有 106个均。
15、匀分布的螺旋状的金属线栅单元， 金属 螺旋线直径 DW 为 20 纳米， 金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 100 纳米， 金属螺 旋线的有效圈数 NP 等于 3， 节距 P 为 300 纳米， 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线 栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋 手性相反， 各金属线栅单元间距 SG 等于 170 纳米。 0029 图 2 所示为实施例 1 的光学特性曲线， 左旋圆偏光和右旋圆偏光的特性曲线完全 相同， 因此图 2 仅描绘左旋圆偏光的特性曲线。图中， 空心矩形框描绘的曲线为圆偏振光透 过率， 空心三角形框描绘的。
16、曲线为圆偏振光反射率， 黑色实心框描绘的曲线为吸收率 ； 本实 施例工作波长范围、 平均吸收率、 峰值吸收率分别为 0.37 1.70 微米、 90.3%、 97.8%。 0030 实施例 2 ： 石英玻璃基板上沉积有 106个均匀分布的螺旋状的金属线栅单元， 金属 螺旋线直径 DW 为 20 纳米， 金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 100 纳米， 金属螺 旋线的有效圈数 NP 等于 2， 节距 P 为 100 纳米， 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线 栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋 手性相反， 各金属线栅单元间距 SG 。
17、等于 170 纳米。 0031 图 3 所示为实施例 2 的光学特性曲线， 左旋圆偏光和右旋圆偏光的特性曲线完全 相同， 因此图 3 仅描绘左旋圆偏光的特性曲线。图中， 空心矩形框描绘的曲线为圆偏振光透 过率， 空心三角形框描绘的曲线为圆偏振光反射率， 黑色实心框描绘的曲线为吸收率 ； 本实 施例工作波长范围、 平均吸收率、 峰值吸收率分别为 0.31 0.72 微米、 83.4%、 90.8%。 0032 实施例 3 ： 石英玻璃基板上沉积有 5106个均匀分布的螺旋状的金属线栅单元， 金属螺旋线直径 DW 为 20 纳米， 金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 200 纳米， 。
18、金 属螺旋线的有效圈数 NP 等于 3， 节距 P 为 300 纳米， 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金 属线栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线 螺旋手性相反， 各金属线栅单元间距 SG 等于 210 纳米。 0033 图 4 所示为实施例 3 的光学特性曲线， 左旋圆偏光和右旋圆偏光的特性曲线完全 相同， 因此图 4 仅描绘左旋圆偏光的特性曲线。图中， 空心矩形框描绘的曲线为圆偏振光透 过率， 空心三角形框描绘的曲线为圆偏振光反射率， 黑色实心框描绘的曲线为吸收率 ； 本实 施例工作波长范围、 平均吸收率、 峰值吸收率分别为 0.53 1.70 微米。
19、、 91.5%、 98.3%。 0034 实施例 4 ： 石英玻璃基板上沉积有 106个均匀分布的螺旋状的金属线栅单元， 金属 螺旋线直径 DW 为 40 纳米， 金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 100 纳米， 金属螺 旋线的有效圈数 NP 等于 5， 节距 P 为 300 纳米， 各金属线栅单元呈正方形排列， 每个金属线 说 明 书 CN 102778708 A 5 4/4 页 6 栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋 手性相反， 各金属线栅单元间距 SG 等于 170 纳米。 0035 图 5 所示为实施例 4 的光学特性曲线， 左。
20、旋圆偏光和右旋圆偏光的特性曲线完全 相同， 因此图 5 仅描绘左旋圆偏光的特性曲线。图中， 空心矩形框描绘的曲线为圆偏振光透 过率， 空心三角形框描绘的曲线为圆偏振光反射率， 黑色实心框描绘的曲线为吸收率 ； 本实 施例工作波长范围、 平均吸收率、 峰值吸收率分别为 0.59 1.18 微米、 90.1%、 95.1%。 0036 实施例 5 ： 石英玻璃基板上沉积有 106个均匀分布的螺旋状的金属线栅单元， 金属 螺旋线直径 DW 为 20 纳米， 金属螺旋线的垂直投影为圆形， 圆形直径 DH 为 100 纳米， 金属螺 旋线的有效圈数 NP 等于 3， 节距 P 为 300 纳米， 各金属。
21、线栅单元呈正方形排列， 每个金属线 栅单元的金属螺旋线螺旋手性与其上下左右相邻的四个金属线栅单元的金属螺旋线螺旋 手性相反， 各金属线栅单元间距 SG 等于 210 纳米。 0037 图 6 所示为实施例 5 的光学特性曲线， 左旋圆偏光和右旋圆偏光的特性曲线完全 相同， 因此图 6 仅描绘左旋圆偏光的特性曲线。图中， 空心矩形框描绘的曲线为圆偏振光透 过率， 空心三角形框描绘的曲线为圆偏振光反射率， 黑色实心框描绘的曲线为吸收率 ； 本实 施例工作波长范围、 平均吸收率、 峰值吸收率分别为 0.41 1.35 微米、 84.7%、 99.7%。 0038 图 7（a） 图 7（e） 所示为本。
22、发明的制备方法工艺流程图。 0039 图 7（a） ： 在石英玻璃基板表面沉积导电膜 ； 0040 图 7（b） ： 在导电膜上旋涂光刻胶 ； 0041 图 7（c） ： 通过深紫外相干刻蚀， 在光刻胶中形成几十纳米量级 N 个均匀分布的圆 形螺旋状空气隙， N106； 每个圆形螺旋状空气隙均由三个直径相同的螺旋空气隙构成， 螺 旋空气隙直径为2040纳米， 三个螺旋空气隙的螺旋手性相同， 且螺旋空气隙的垂直投影 为圆形， 圆形直径为 100 200 纳米， 螺旋空气隙的有效圈数为 2 5， 节距为 100 300 纳 米 ； 0042 各圆形螺旋状空气隙呈正方形排列， 每个圆形螺旋状空气隙的。
23、螺旋空气隙螺旋手 性与其上下左右相邻的四个圆形螺旋状空气隙的螺旋空气隙螺旋手性相反， 各圆形螺旋状 空气隙间距为 170 210 纳米 ； 0043 图 7（d） ： 通过电化学沉积， 在 N 个均匀分布的圆形螺旋状空气隙中沉积金属铝材 料， 形成由三根直径相同的金属螺旋线构成的金属线栅单元 ； 0044 图 7（e） ： 除去金属线栅单元之间的光刻胶， 最终形成光波段吸波器。 说 明 书 CN 102778708 A 6 1/5 页 7 图 1(a) 图 1(b) 说 明 书 附 图 CN 102778708 A 7 2/5 页 8 图 1(c) 图 2 说 明 书 附 图 CN 102778708 A 8 3/5 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102778708 A 9 4/5 页 10 图 5 图 6 图 7(a) 说 明 书 附 图 CN 102778708 A 10 5/5 页 11 图 7(b) 图 7(c) 图 7(d) 图 7(e) 说 明 书 附 图 CN 102778708 A 11 。