一種基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收 集天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)十年來，在軍事應(yīng)用的牽引及推動(dòng)下，紅外光電技術(shù)得到快速發(fā)展，目前該技術(shù) 正朝著高性能紅外探測(cè)方向發(fā)展，設(shè)計(jì)各種不同天線結(jié)構(gòu)是提高紅外探測(cè)器性能的有效方 法。然而，在發(fā)展高性能紅外光子天線時(shí)，天線電極間距由于工作波長的增大而進(jìn)一步增 大，在載流子迀移率不變的條件下，電極間距的增大將導(dǎo)致光敏材料光生載流子渡越時(shí)間 的延長、光電導(dǎo)增益與響應(yīng)率的降低，從而導(dǎo)致光電導(dǎo)探測(cè)器性能上的退化。
[0003] 基于表面等離子體諧振的光學(xué)天線可以突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)小尺寸單元響應(yīng)大面 積輻照的特性，目前已公開的資料中有利用金屬表面等離子體諧振產(chǎn)生的焦耳熱來實(shí)現(xiàn)紅 外多普勒信號(hào)探測(cè)（CN20140455227.5)。光電導(dǎo)探測(cè)器通常利用表面等離子體天線的收集 作用，將入射輻射場(chǎng)聚集在天線兩端，相鄰天線的狹縫處產(chǎn)生明顯增強(qiáng)的局域電場(chǎng)（Nano Lett. 14, 3749-3754, 2014)。金屬在紅外波段的歐姆損耗可嚴(yán)重影響天線的收集效率，同時(shí) 該種結(jié)構(gòu)天線僅能對(duì)特定偏振方向的紅外福射響應(yīng)，其他偏振態(tài)的紅外福射則不能被有效 收集，這些都為提升紅外天線性能留下了空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增 強(qiáng)收集天線，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中由于紅外光子探測(cè)器電極間距增大導(dǎo)致的光電探測(cè)器性 能退化的技術(shù)問題，并且提供偏振無關(guān)探測(cè)方案。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線，包括多個(gè)周期性陣 列排布的天線單元，所述天線單元包括第一諧振單元和第二諧振單元；所述第一諧振單元 的諧振頻率與所述第二諧振單元的諧振頻率相同或相近；通過所述第一諧振單元與所述第 二諧振單元之間的耦合作用實(shí)現(xiàn)了在紅外波段的電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象，在目標(biāo)頻率處實(shí)現(xiàn)了 偏振超增強(qiáng)探測(cè)，并且發(fā)明所提供的方案可以在任意偏振方向?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)吸收，即偏振無關(guān) 探測(cè)，提高了對(duì)目標(biāo)頻率紅外輻射的收集效率。
[0006]更進(jìn)一步地，所述第二諧振單元包括第一金屬桿和第二金屬桿，所述第一金屬桿 和所述第二金屬桿相互平行且沿X軸放置；所述第一諧振單元包括第三金屬桿，所述第三 金屬桿沿y軸放置且位于所述第一金屬桿和所述第二金屬桿之間；所述第三金屬桿的兩端 分別與所述第一金屬桿和所述第二金屬桿之間留有間隙；所述第一諧振單元與所述第二諧 振單元之間的耦合效率隨著該間隙的增大而減小；所述X軸為水平方向，所述 y軸為豎直方 向。
[0007] 更進(jìn)一步地，所述第一金屬桿和所述第二金屬桿尺寸相同；所述第一諧振單元和 第二諧振單元的長度范圍接近，為0. 5微米~5. 0微米，寬度為0. 1微米~I. 0微米，周期 為0. 6微米~5. 5微米；其中諧振單元的周期是指相鄰諧振單元的間距，X軸與y軸方向的 周期可能不同。
[0008] 更進(jìn)一步地，所述第一金屬桿、所述第二金屬桿和所述第三金屬桿的材料相同；金 屬桿的材料為金、銀、銅或鋁等在紅外具有高電導(dǎo)率的金屬材料；金屬材料與襯底之間鍍一 層其他金屬材料作為過度黏附層，材料可選擇鈦、鎳等金屬材料，厚度為20納米~30納米； 兩種金屬材料組成的天線總厚度為50納米~200納米。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述第二諧振單元包括第一金屬桿和第二金屬桿，所述第一金屬桿 和所述第二金屬桿相互平行且沿X軸放置；所述第一諧振單元包括第三金屬桿和第四金屬 桿，所述第三金屬桿沿y軸放置且位于所述第一金屬桿和所述第二金屬桿之間；所述第三 金屬桿的兩端分別與所述第一金屬桿和所述第二金屬桿之間留有間隙；所述第四金屬桿沿 y軸放置，所述第四金屬桿與所述第三金屬桿關(guān)于所述第二金屬桿中心對(duì)稱；所述第四金 屬桿的一端與所述第二金屬桿之間留有間隙；所述第一諧振單元與所述第二諧振單元之間 的耦合效率隨著該間隙的增大而減?。凰鯴軸為水平方向，所述y軸為豎直方向。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述第一金屬桿和所述第二金屬桿的尺寸相同；所述第三金屬桿和 所述第四金屬桿的尺寸相同；所述第一諧振單元和第二諧振單元的長度為0. 5微米~5. 0 微米，寬度為〇. 1微米~1. 〇微米，周期為〇. 6微米~5. 5微米。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述第一金屬桿、所述第二金屬桿、所述第三金屬桿和所述第四金屬 桿的材料相同；所述金屬桿的材料可以但不限于是金、銀、銅或鋁等高電導(dǎo)率的材料。
[0012] 更進(jìn)一步地，金屬材料與襯底之間鍍一層其他金屬材料作為過度黏附層，材料可 選擇鈦、鎳等金屬材料，厚度為20納米~30納米；兩種金屬材料組成的天線總厚度為50納 米~200納米。
[0013] 更進(jìn)一步地，偏振方向沿y軸的紅外福射電場(chǎng)入射時(shí)，所述第一諧振單元被入射 電場(chǎng)直接激發(fā)，其產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)激發(fā)所述第二諧振單元，從而產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象；在 電磁感應(yīng)透明窗口處，入射的紅外輻射電場(chǎng)與所述第一諧振單元耦合的能量轉(zhuǎn)移到所述第 二諧振單元上，并在所述第二諧振單元的兩端產(chǎn)生局域超增強(qiáng)電場(chǎng)；偏振方向沿X軸的紅 外輻射電場(chǎng)入射時(shí)，所述第一諧振單元不能被激發(fā)，所述第二諧振單元被直接激發(fā)，并在其 兩端產(chǎn)生局域增強(qiáng)電場(chǎng)；在兩種偏振狀態(tài)下，所述第二諧振單元兩端激發(fā)局域電場(chǎng)強(qiáng)，輻射 電場(chǎng)偏振方向沿y軸時(shí)所激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)于輻射電場(chǎng)偏振方向沿X軸時(shí)所激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng) 度，實(shí)現(xiàn)了偏振探測(cè)時(shí)紅外天線的超增強(qiáng)吸收功能和偏振無關(guān)探測(cè)功能。
[0014] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：
[0015] (1)利用電磁波輻射與金屬（局域）天線表面等離子體耦合得到極度增強(qiáng)的局域 近場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)小尺寸光敏元響應(yīng)大輻照面積的輻射能量、增大光電導(dǎo)增益，提高響應(yīng)率。
[0016] (2)本發(fā)明提供的電磁感應(yīng)透明紅外超增強(qiáng)收集天線能使入射的偏振光能量重新 分布，將能量轉(zhuǎn)移至與入射偏振方向垂直的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波實(shí)現(xiàn)了偏振轉(zhuǎn)換，并且 在該頻率的局域電場(chǎng)明顯比直接激發(fā)的局域電場(chǎng)大，實(shí)現(xiàn)了超增強(qiáng)收集。
[0017] (3)本發(fā)明提供的電磁感應(yīng)透明紅外超增強(qiáng)收集天線結(jié)構(gòu)在相互垂直的兩個(gè)方向 上都會(huì)產(chǎn)生諧振，改變第一和第二諧振結(jié)構(gòu)的尺寸，可將兩個(gè)方向的諧振頻率調(diào)整至相同 或十分相近的頻率，實(shí)現(xiàn)特定頻率紅外波的偏振無關(guān)探測(cè)。
[0018] (4)本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線與探測(cè)器的金屬電極 采用相同材料與制作工藝，這極大的簡化了探測(cè)器天線部分的加工工藝。
【附圖說明】
[0019] 圖1本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線結(jié)構(gòu)的縱向 剖面示意圖；
[0020] 圖2本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線結(jié)構(gòu)的俯視 示意圖；
[0021] 圖3本發(fā)明的實(shí)施例1提供的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0022] 圖4本發(fā)明的實(shí)施例2提供的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0024] 本發(fā)明提出的基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線中，光學(xué)天線尺寸一般為 設(shè)計(jì)波長的1/10至1/5,利用這種光學(xué)天線，可以激發(fā)起金屬表面等離子體諧振效應(yīng)，突 破光學(xué)衍射極限，可有效地消除由于光子探測(cè)器電極間距增大所導(dǎo)致的光電導(dǎo)探測(cè)器光敏 材料光生載流子渡越時(shí)間的延長、光電導(dǎo)增益與響應(yīng)率的降低等光電導(dǎo)探測(cè)器性能上的退 化。電磁感應(yīng)透明為一種量子效應(yīng)，采用經(jīng)典系統(tǒng)可以模擬實(shí)現(xiàn)該現(xiàn)象，目前在空間上主 要采用兩個(gè)諧振頻率相近的諧振單元，通過兩個(gè)諧振單元的互相耦合作用實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)透 明，兩諧振之間形成一個(gè)透射峰，稱之為電磁感應(yīng)透明窗口，在電磁感應(yīng)透明窗口處實(shí)現(xiàn)對(duì) 入射電磁波的超增強(qiáng)吸收。該天線主要由兩部分諧振單元組成，第一諧振單元可直接被入 射電場(chǎng)激發(fā)，產(chǎn)生明模式，稱之為直接激發(fā)部分；第二諧振單元可以被明模式感應(yīng)激發(fā)，產(chǎn) 生暗模式，稱之為間接激發(fā)部分。
[0025] 本發(fā)明提出的電磁感應(yīng)透明天線的兩部分諧振單元的結(jié)構(gòu)可以但并不限于是金 屬桿、"工"字形金屬桿（以下統(tǒng)稱金屬桿）。金屬結(jié)構(gòu)可以等效為LC回路，其中金屬桿等 效為電感L，金屬桿之間狹縫等效為電感C，通過該改變金屬感的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)整金屬 感的諧振頻率Uo = lA/ZF )。在紅外波段，金屬桿的長度范圍〇. 5微米~5. 0微米，寬0. 1 微米~I. 0微米，周期0. 6微米~5. 5微米，金屬桿的材料可選金、銀、銅或錯(cuò)等在紅外具 有較高電導(dǎo)率的金屬材料，厚度50納米~200納米。在天線單元中，第二諧振單元為平行 放置的金屬桿，第一諧振單元方向與第二諧振單元方向垂直，置于第二諧振單元平行金屬 桿之間；第一諧振單元不與第二諧振單元交疊，兩諧振單元的耦合效率隨著它們之間的距 離增大而減小；通過數(shù)值仿真計(jì)算，將兩諧振單元的諧振頻率設(shè)計(jì)在相同或者相近頻率，利 用兩諧振單元的耦合作用，實(shí)現(xiàn)紅外波段的電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象；在電磁感應(yīng)透明窗口處，耦 合到直接激發(fā)部分的入射電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到間接激發(fā)部分中，使得能量重新分布，被第一諧 振單元捕獲的能量都集中在第二諧振單元兩端，金屬桿陣列之間的狹縫中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射 電場(chǎng)偏振的轉(zhuǎn)換；更重要的是，在電磁感應(yīng)透明窗口的局域電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)于直接激發(fā)紅外天 線產(chǎn)生的局域電場(chǎng)強(qiáng)度，使電磁感應(yīng)透明紅外天線對(duì)紅外福射的收集能力強(qiáng)于常規(guī)紅外天 線，實(shí)現(xiàn)了紅外天線的超增強(qiáng)收集特性。當(dāng)入射電場(chǎng)偏振方向可以直接激發(fā)天線的第二諧 振單元時(shí)，不能產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象，此時(shí)天線的第二諧振單元可作為常規(guī)紅外天線陣 列，若將由兩諧振單元耦合作用產(chǎn)生的電磁感應(yīng)透明窗口的頻率設(shè)計(jì)到與只有第二諧振單 元被直接激發(fā)產(chǎn)生的諧振頻率相同或十分相近，則可以在預(yù)設(shè)的目標(biāo)頻率處實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān) 探測(cè)，提高了對(duì)目標(biāo)頻率紅外輻射的收集效率；其中目標(biāo)頻率為設(shè)計(jì)人員想要的頻率，目標(biāo) 頻率根據(jù)兩個(gè)諧振單元的諧振峰的位置可確定。
[0026] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于電磁感應(yīng)透明的紅外超增強(qiáng)收集天線的 制備方法，包括如下步驟：
[0027] (1)在附著有光敏材料的襯底上旋涂負(fù)光刻膠；