CN115332811B - 兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构 - Google Patents

Abstract

一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，属于红外电磁波束控制超材料、电磁吸波材料领域。所述红外电磁周期结构包括衬底，以及位于衬底之上的、M×N阵列排列的多功能结构单元；多功能结构单元由K个1×K排列的单元组成，单元的相位补偿值自左向右从2π/K到2π、以2π/K的间隔等间距依次递增设置，单元包括自下而上依次设置的金属衬底层、第二相变材料层、低折射率低损耗电磁匹配层、高折射率低损耗电磁匹配层和第一相变材料层。本发明通过高折射率低损耗电磁匹配层实现探测光束的异向偏转，同时，采用多层介质的结构，在常温下实现了3‑14μm波段的低发射率，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要求。

Description

兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构

技术领域

本发明属于红外电磁波束控制超材料、电磁吸波材料领域，具体涉及一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构。

背景技术

红外辐射控制技术在众多领域具有重要的应用价值，尤其在分子生物传感、辐射制冷、红外信息探测及通讯、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由于结构设计多样化，可实现的功能愈发的多样化、集成化。目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，无法实现对目标体发射率的动态调控及红外探测光束(波长为10.6μm的中红外光)的异向偏转。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，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；

所述多功能结构单元由K个1×K排列的单元组成，所述单元的相位补偿值自左向右从2π/K到2π、以2π/K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金属衬底层1、第二相变材料层2、低折射率低损耗电磁匹配层3、高折射率低损耗电磁匹配层4和第一相变材料层5；

每个单元中，金属衬底层1的长为16.8μm、宽为4.4μm，第二相变材料层2的长为16.8μm、宽为4.4μm，低折射率低损耗电磁匹配层3的长为16.8μm、宽为4.4μm，高折射率低损耗电磁匹配层4的长b为3.6μm、宽a为1.1μm，第一相变材料层5的长b为3.6μm、宽a为1.1μm。

其中，M为大于或等于4的整数，K为大于或等于4的整数，N为大于1的整数。

进一步的，所述金属衬底层1为Ag、Au、Al等，厚度为0.1μm。

进一步的，所述第一相变材料层5和第二相变材料层2采用相对介电常数随温度的变化而变化的材料，具体为VO₂材料，其在室温下呈现介质态、在高温下相变为金属态。所述第一相变材料层5的厚度为0.1μm，第二相变材料层2的厚度为0.3μm。

进一步的，所述低折射率低损耗电磁匹配层3采用折射率为2.5、且损耗角正切值低于0.01的材料，具体为Si、MgF₂，厚度为0.26μm。

进一步的，所述高折射率低损耗电磁匹配层4采用折射率为5、且损耗角正切值低于0.01的材料，具体为PbTe，厚度为0.8μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，通过高折射率低损耗电磁匹配层实现探测光束的异向偏转，同时，采用多层介质的结构，在常温下实现了3-14μm波段的低发射率(等效发射率为0.34)，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要求。

2、本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，通过引入对温度敏感的相变材料氧化钒，利用其在高温相变后的金属相特性，采用金属-介质-金属的结构，实现了3-14μm波段发射率动态调制，在高温下具有较高的电磁损耗并在中红外波段(3μm-14μm)具有较高的发射率(等效发射率为0.92)，满足了对目标体的辐射降温效果。

3、本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，采用两层相变材料层，在高温状态下，两层相变材料层(2和5)发生相变，由红外低损耗介质态变为红外高损耗的金属态，此时第一相变材料层5和第二相变材料层2带来的介质损耗增加，且该损耗为驻波损耗，具有宽带效应。同时，相变后的第一相变材料层5可视为金属层，此时，该结构自上而下可视为金属(层5)-介质(层4、3)-金属(层2、1)的“三明治”结构，该结构中金属层(层5、2、1)的上下表面激励出反向平行的电流。在外界电磁场的作用下，反向平行流动的电流以及中间介质层中的位移电流构成了一个闭合电流环路。闭合电流环路中的感应磁通量在外界时谐电磁场的作用下不断的变化并产生感应电动势。这一感应磁场与外界磁场共同作用产生了强烈的磁谐振，使得结构中的局域磁场强度得到了极大的增强。此时该结构利用其强烈的磁谐振所产生的损耗，进一步增强了电磁周期结构的吸收率/发射率。综上，本发明采用两层相变材料层，可实现在高温下中红外波段具有宽带且较高发射率的效果。

4、本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，金属衬底层1、第二相变材料层2和低折射率低损耗电磁匹配层3为连续薄膜，高折射率低损耗电磁匹配层4和第一相变材料层5为位于薄膜之上的长方体，不同旋转角的长方体带来的空间相位补偿与极化选择性(LCP极化波与RCP极化波)赋予了该结构对红外探测光束(波长为10.6μm的中红外光)的交叉极化反射波的异向反射特性。

附图说明

图1为本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构的单元结构示意图；

图2为本发明提供的一种兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构的示意图，其中θ角为相位补偿结构(低折射率低损耗电磁匹配层3、高折射率低损耗电磁匹配层4和第一相变材料层5)的旋转角，对应补偿相位为2θ；

图3为一维条件下实施例提供的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构中，1个单元的电磁波极化转换率(PCR)及反射相位图；其中，(a)入射波为LCP模式时的极化转换率，(b)入射波为LCP模式时，反射波为其交叉极化波RCP的反射相位；

图4为一维条件下实施例提供的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构对波长为10.6μm的交叉极化反射波束电场分布图；

图5为实施例的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构在3-14μm范围的发射率可调辐射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

如图1和图2所示，为实施例提供的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构；包括衬底，以及位于衬底之上的、4×2阵列排列的多功能结构单元；多功能结构单元由4个1×4排列的单元组成，4个单元的相位补偿值自左向右依次为π/2，π，3π/2，2π，所述单元包括自下而上依次设置的金属衬底层1、第二相变材料层2、低折射率低损耗电磁匹配层3、高折射率低损耗电磁匹配层4和第一相变材料层5。其中，金属衬底层1为Ag金属反射层(长度＝16.8μm，宽度＝4.4μm，厚度h＝0.1μm)，第二相变材料层2为VO₂介质层(长度＝16.8μm，宽度＝4.4μm，厚度h＝0.3μm)，低折射率低损耗电磁匹配层3为Si介质层(长度＝16.8μm，宽度＝4.4μm，厚度h＝0.26μm)，高折射率低损耗电磁匹配层4为PbTe层(长度＝3.6μm，宽度＝1.1μm，厚度h＝0.8μm)，第一相变材料层5为VO₂介质层(长度＝3.6μm，宽度＝1.1μm，厚度h＝0.1μm)。

图3为一维条件下实施例提供的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构中，1个单元的电磁波极化转换率(PCR)及反射相位图；其中，(a)入射波为LCP模式时的极化转换率，(b)入射波为LCP模式时，反射波为其交叉极化波RCP的反射相位。由图3可知，1个单元的相位调控结构(高折射率低损耗电磁匹配层4和第一相变材料层5)在不同旋转角下28.3THz处的极化转化率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：θ＝0°：Phase＝135°/PCR＝0.98；θ＝45°：Phase＝45°/PCR＝0.98；θ＝90°：Phase＝-45°/PCR＝0.98；θ＝135°：Phase＝-135°/PCR＝0.98。可知，一方面，每个单元在λ₀＝10.6μm(f₀＝28.3THz)的极化转换率均满足|PCR|>0.9的条件，确保该超材料的高效工作性能；另一方面，4个单元对交叉极化波的反射电场Ex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(LCP模式反射波相位梯度为ΔPhase_Ex＝90°)的子阵列。最终将子阵列在笛卡尔坐标系中沿X方向周期排列所形成的超材料可实现对反射交叉极化电磁波束的异向偏折效果。

图4为一维条件下实施例提供的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构对波长为10.6μm的交叉极化反射波束电场分布图；由图4可知，当入射红外波为LCP模式时，电磁周期结构对沿-Z方向垂直入射平面波的交叉极化波(RCP模式)的反射电场E_x如图所示。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：

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4个单元即可覆盖0-2π，即N_Ex＝4)，P为单元排列周期(本结构单元周期为P＝4.4μm)。由此可求得θ_Ex＝39°，即该电磁周期结构对LCP模式的反射波束产生了39°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LCP入射波束(RCP反射波束)的异向偏折功能。

图5为实施例的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构在3-14μm范围的发射率可调辐射光谱图。由图5可知，当样品处于常温(30℃)，在红外电磁波(LCP或RCP模式)垂直入射至电磁周期结构表面时，电磁周期结构在3-14μm具有较低发射率(等效发射率为0.34)；当样品处于相变温度(74℃)后，在红外电磁波(LCP或RCP模式)垂直入射至电磁周期结构表面时，电磁周期结构在3-14μm具有较高发射率(等效发射率为0.92)。由于电磁周期结构中存在PbTe层，在该波段内不可避免地引入了若干杂散电磁谐振响应，使低温时该电磁周期结构在3-10μm波段存在若干窄带发射峰，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LCP/RCP模式的垂直入射波表现为相同的红外发射率特性，能够有效实现红外发射率可调的功能。

Claims (7)

1.一种兼具发射率可调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；

所述多功能结构单元由K个1×K排列的单元组成，所述单元的相位补偿值自左向右从2到/>、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金属衬底层（1）、第二相变材料层（2）、低折射率低损耗电磁匹配层（3）、高折射率低损耗电磁匹配层（4）和第一相变材料层（5）；其中，金属衬底层、第二相变材料层和低折射率低损耗电磁匹配层为连续薄膜，高折射率低损耗电磁匹配层和第一相变材料层为位于薄膜之上的长方体；

所述低折射率低损耗电磁匹配层采用折射率为2.5且损耗角正切值低于0.01的材料，所述高折射率低损耗电磁匹配层采用折射率为5且损耗角正切值低于0.01的材料。

2.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，每个单元中，金属衬底层（1）的长为16.8μm、宽为4.4μm，第二相变材料层（2）的长为16.8μm、宽为4.4μm，低折射率低损耗电磁匹配层（3）的长为16.8μm、宽为4.4μm，高折射率低损耗电磁匹配层（4）的长为3.6μm、宽为1.1μm，第一相变材料层（5）的长为3.6μm、宽为1.1μm。

3.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，M为大于或等于4的整数，K为大于或等于4的整数，N为大于1的整数。

4.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，所述金属衬底层（1）为Ag、Au或Al，厚度为0.1μm。

5.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，所述第一相变材料层（5）和第二相变材料层（2）采用相对介电常数随温度的变化而变化的材料，所述第一相变材料层的厚度为0.1μm，第二相变材料层的厚度为0.3μm。

6.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，所述低折射率低损耗电磁匹配层（3）的厚度为0.26μm。

7.根据权利要求1所述的兼具发射率可调及波束异向反射功能的红外电磁周期结构，其特征在于，所述高折射率低损耗电磁匹配层（4）的厚度为0.8μm。