[发明专利]可见光波段特殊图案MIM超材料完美吸波器及设计方法

说明书

本发明公开了一种可见光波段特殊图案MIM超材料完美吸波器及设计方法，吸波器由超材料完美吸收器单元周期排列构成组成；超材料完美吸收器单元在长度和宽度方向对称，高度方向上由最上层金属和中间介电层以及底部为金属基底的三层材料构成；最上层金属的图案为自定义点数的多边体，每个点在长度方向间隔相等但在宽度的一定区域内随机分布；通过改变每个点在宽度的分布位置从而生成新的金属图案结构，使该结构的吸收频率变化。本发明将超材料顶部金属图案边缘离散化为多个点，灵活改变这些点的分布对MIM结构的等效磁导率和介电常数进行调节，从而灵活调控超材料吸收频率，在可见光波长处实现超窄双频带完美吸收。

技术领域

本发明属于超材料完美吸收器设计领域，特别是一种可见光波段特殊图案MIM超材料完美吸波器及设计方法。

背景技术

超材料是一种具有自然界材料难以获得的出色电磁性能的人工复合材料，一般是由金属和电介质周期性排列的单元结构所构成。

在Landy等人首次设计出了一种能够对特定波长的电磁波取得近乎100％吸收的超材料吸波器后(可参考文献：Landy N I,Sajuyigbe S，Mock J J,et al.PerfectMetamaterial Absorber[J].Physical Review Letters,2008.)，超材料完美吸收器(Perfect Metamaterial Absorber，PMA)开始进入了人们的视野并取得了飞速的发展。PMA由于具备设计灵活、响应可调、厚度小、吸波强等优点，是当前非常重要的应用热点之一。

MIM超材料是典型的PMA结构，其底部的金属基底可以有效阻止电磁波透射，使得电磁波的透过率为0。通过合理的设计器件结构的形状、尺寸、排列方式，并选择合适的金属材料和介电材料来调节结构的电磁响应，使得某些频段电磁波对该结构的反射率和透射率均趋近于0，而吸收率定义为：吸收率＝1-反射率-透射率，从而可实现接近100％的吸光。

目前科研工作者们设计的单波波段MIM完美吸收器结构种类十分丰富，同时对于多波段完美吸收器的设计通常是通过多层MIM结构加等思路实现，但此类传统技术需要设计和加工多层MIM结构，吸收效率受到影响，并且制造成本高、难度大，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光波段特殊图案MIM超材料完美吸波器及设计方法，其几何参数灵活可调且自由度高，选用常规材料并通过构建单层MIM超材料结构实现双波段完美吸收。

实现本发明目的的技术方案为：一种可见光波段特殊图案MIM超材料完美吸波器，超材料完美吸波器整体结构由超材料完美吸收器单元周期排列构成组成；超材料完美吸收器单元在长度和宽度方向对称，高度方向上由最上层金属和中间介电层以及底部为金属基底的三层材料构成；

最上层金属的图案为自定义点数的多边体，每个点在长度方向间隔相等但在宽度的一定区域内随机分布；通过改变每个点在宽度的分布位置从而生成新的金属图案结构，使该结构的吸收频率变化。

进一步的，通过改变上层金属图案对MIM结构的等效磁导率和介电常数进行调节，从而调控超材料吸收频率。

进一步的，上层金属图案结构共有10个参数点，固定第一个和第十个参数点，通过其余8个参数点设置图案来改变超材料吸收频率；以金属图案结构中心为圆点，圆点和第一参考点连线方向为x轴，8个自由参数点的y值作为图案参数。

进一步的，在一个象限内横坐标每隔10nm设置一个参数点，改变并记录每个参数点的纵坐标，参数点分别设置为0、70、60、70、70、40、70、70、70、100nm。

进一步的，通过对不同金属图案的MIM超材料吸波器在400nm到1200nm波段内进行扫描，得到材料的透射率与反射率，以此计算该结构对电磁波的吸收率。