[发明专利]超构材料吸波体长波红外焦平面

说明书

本发明公开了一种超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：谐振器层、介质层、金属层；所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；采用相应的谐振器形状和结构尺寸来实现宽带吸收，窄带吸收，多波长吸收，偏振选择吸收等功能。将超材料吸波体集成在红外焦平面上不仅可以提高其吸收率，还可以为红外焦平面带来更多的功能。

技术领域

本发明涉及非制冷红外成像领域，具体设计一种超构材料吸波体长波红外焦平面。

背景技术

非制冷红外探测技术是无需制冷系统对入射红外辐射感知并将其转化为电学输出的技术，在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境监测等领域得到广泛应用。微测辐射热计是最广泛使用的非制冷红外探测技术，具有成本低，功耗小，响应快等特点。微测辐射热计的工作原理是基于入射光引起的热敏材料在温度变化时电阻值发生相应变化。工作时在热敏材料两端加上偏置电压使得这种电阻值变化转化为电学输出，实现红外探测。因此其灵敏度和探测波段决定于吸收波长。而作为热敏电阻的氧化钒，非晶硅等在长波红外的吸收率较低且其表面具有较高的反射率。通常采用在热敏电阻层上当集成氮化硅吸收层的方式来获得较高的吸收率，但是在氮化硅吸收层的本征吸收波段范围之外，吸收率仍然较低且难以提升。

如图1所示，传统的焦平面结构一般由吸收层（传统的焦平面没有谐振器），热敏电阻层，支撑层以及位于四分之一波长空气腔下方的金属反射层组成。由于热敏电阻在红外波段的吸收率很低，因此需要采用较厚的氮化硅来充当吸收层，为了得到较高的吸收率，还需要四分之一波长的空气腔和下方的金属反射层来组成谐振腔。谐振腔的厚度一般在2微米以上，制备难度较高且机械强度较差。另一方面氮化硅的本征吸收峰在10-12微米之间，在这个波长区间之外，其吸收率很快地降低，因此传统的焦平面的探测波长被限制在这个波长区间内。本发明提供一种集成超材料吸波体的红外焦平面结构可以完美解决以上两个问题。

发明内容

本发明目的是为了解决上述问题，而提出了一种超构材料吸波体长波红外焦平面；

超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：谐振器层、介质层、金属层；

所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；

所述的等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；

两种类型的表面等离激元谐振都可以引起完美的吸收，但受几何参数调控的方式不一样；其中传播型表面等离激元谐振受结构周期调控，变化规律符合公式：

这里，即；传播型表面等离激元谐振波长随着结构周期增大红移；对于局域型表面等离激元谐振，则可以用等效电路模型进行解释：

这里λ为局域型表面等离激元谐振波长，L和C分别代表超构材料吸波体的电感和电容，w代表谐振器的有效长度；局域型表面等离激元谐振波长与谐振器的有效长度正相关；

所述的谐振器是由表面图形化的亚波长周期性金属谐振器阵列组成；

所述的介质层为热敏电阻层或支撑层；

所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，还包括：热敏电阻层；

所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，所述热敏电阻层上方设有吸收层；

所述的超构材料吸波体长波红外焦平面的下方还设有空气腔；

所述的空气腔下方为金属反射层；

所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：钛十字形谐振器层，锗介质层，钛金属层，氮化硅绝缘层，非晶硅热敏电阻层以及氮化硅支撑层；谐振器层20~1000nm，锗介质层10~1000nm，钛金属层10~1500nm，氮化硅绝缘层10~100nm，非晶硅热敏电阻层10~800nm，氮化硅支撑层10~1000nm；钛十字形谐振器的周期为0.8~4.4μm,长度为0.5~2.5μm，宽度为0.05~1μm；