近中紅外與1.06 μm和1.54 μm激光兼容隱身光子晶體研究

張繼魁， 時(shí)家明， 苗 雷， 王啟超， 趙大鵬， 曾 杰

(電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230037)

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近中紅外與1.06 μm和1.54 μm激光兼容隱身光子晶體研究

張繼魁， 時(shí)家明*， 苗 雷， 王啟超， 趙大鵬， 曾 杰

(電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230037)

為實(shí)現(xiàn)飛行器高溫部分的紅外與激光兼容偽裝，設(shè)計(jì)了一種基于一維光子晶體的近中紅外與1.06 μm和1.54 μm激光兼容隱身材料?；诒∧さ膫鬏斁仃嚪ê彤愘|(zhì)結(jié)構(gòu)理論，拓展了光子晶體的禁帶寬度，使之覆蓋近中紅外波段；隨后，利用摻雜原理，在光子晶體周期結(jié)構(gòu)中引入了兩種缺陷。結(jié)果顯示，在1～5 μm的帶隙中出現(xiàn)了波長分別為1.06 μm和1.54 μm的缺陷模，反射率分別為1.21%和1.79%，這種具有“光譜挖空”特性的光子晶體可以實(shí)現(xiàn)近中紅外與1.06 μm和1.54 μm激光兼容隱身。

光子晶體； 近中紅外； 激光； 兼容偽裝

1 引 言

火箭或噴氣飛機(jī)等飛行器在高速飛行時(shí)，由于其發(fā)動(dòng)機(jī)工作和氣動(dòng)加熱等原因，某些部位的溫度很高，例如火箭的燃燒室溫度可達(dá)2 000～3 000 ℃。由維恩位移定律[1]可知，其輻射峰值波長處于0.966～1.449 μm的近紅外范圍內(nèi)；而飛機(jī)尾噴管以及其表面反射的太陽光輻射通常處于中紅外波段[1]。紅外探測設(shè)備通常利用飛行器高溫部位的強(qiáng)烈紅外輻射進(jìn)行目標(biāo)識別與跟蹤。因此，有效抑制飛行器的紅外輻射，實(shí)現(xiàn)近中紅外波段的兼容是非常必要的。

此外，常見的用于測距和制導(dǎo)的激光器包括波長為1.06 μm的Nd∶YAG激光器和1.54 μm的摻鉺激光器，這兩類激光器通常以主動(dòng)探測方式為主，基于目標(biāo)表面的高反射特性，通過探測回波信號來確定目標(biāo)的位置。而飛行器表面通常由金屬或合金構(gòu)成，其在上述波長上具有較高的反射率。因此，對于此類目標(biāo)，一方面需要抑制其在近中紅外波段的發(fā)射率ε，而另一方面還需降低其表面在上述激光波長處的反射率ρ。通常，在不考慮吸收的情況下，ε+ρ=1，可以看出，發(fā)射率和反射率的同時(shí)降低不可能實(shí)現(xiàn)。

然而，光子晶體作為一種由不同介電常數(shù)的介質(zhì)周期性排列組成的人工晶體，其特有的“帶隙[2]”和“光子局域[3]”性質(zhì)使實(shí)現(xiàn)多波段兼容偽裝成為可能。帶隙又稱禁帶，是特定頻率范圍內(nèi)對電磁波的高反射帶。光子局域是光子晶體禁帶中出現(xiàn)的頻率極窄的缺陷態(tài)，它是由光子晶體的周期性或者對稱性結(jié)構(gòu)遭到破壞造成的。與缺陷態(tài)頻率一致的光子會被禁錮在缺陷附近，一旦離開缺陷位置，光就會大幅度衰減。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種在近中紅外波段具有低發(fā)射率，且在1.06 μm和1.54 μm波長處具有較低反射率的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體，通過理論分析發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的光子晶體能夠較好地滿足在上述波段和波長處的偽裝要求。該研究結(jié)果對于下一步的實(shí)際應(yīng)用具有借鑒和參考價(jià)值。

2 傳輸矩陣法

圖1所示為理想光子晶體的反射率曲線。

圖1 理想光子晶體反射率

光子晶體特有的周期性結(jié)構(gòu)對入射電磁波有調(diào)制作用。電磁波在其中的傳播可以等效為在若干個(gè)基本單元中傳播的疊加，而每個(gè)基本單元都可以看作一個(gè)普通的雙端口器件。它的傳播特性采用一個(gè)2×2復(fù)矩陣描述，整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳播特性也可以采用一個(gè)2×2的復(fù)矩陣進(jìn)行表示，該矩陣為各單元矩陣的乘積。該方法稱為傳輸矩陣法(Transfer matrix method,TMM)[4]。

當(dāng)橫電(或磁)波以角度θ0入射時(shí)，光子晶體中第k層材料的折射角θk滿足Snell折射定律，即

nksinθk=nk-1sinθk-1=…n0sinθ0，

(1)

其特征矩陣Mk可表示為[5]

(2)

其中

δk=2πλ-1nkdkcosθk，

式中，ηk和dk分別為第k層材料的折射率和幾何厚度。此時(shí)，光子晶體總的特征矩陣可以表示為

(3)

由此可以得到反射率R的表達(dá)式為

(4)

透射率T的表達(dá)式為

(5)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光子晶體的帶隙主要有3個(gè)影響因素：光子晶體空間結(jié)構(gòu)分布、介電常數(shù)比值以及光子晶體的幾何結(jié)構(gòu)[6]。一維光子晶體結(jié)構(gòu)在空間一個(gè)方向上延伸，結(jié)構(gòu)單一，因此空間結(jié)構(gòu)分布對一維光子晶體的帶隙影響不大。光子晶體的幾何機(jī)構(gòu)對帶隙的影響與具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如在一維梳狀光子晶體[7]中，禁帶寬度隨接枝長度的變化而變化，但其實(shí)質(zhì)仍然是介質(zhì)折射率之比。由于一維光子晶體是層狀周期性結(jié)構(gòu)，因此，人們主要基于此類結(jié)構(gòu)中不同介質(zhì)介電常數(shù)之比對帶隙的影響進(jìn)行光子晶體的帶隙設(shè)計(jì)。一般來說，兩種介質(zhì)的折射率比值越大，其對應(yīng)的光子晶體帶隙就越寬[8]。但由于常見材料的高低折射率比值的限制，通常制備的光子晶體帶隙很難覆蓋近中紅外波段。因此，必須對光子晶體的帶隙進(jìn)行拓展。文獻(xiàn)[9-10]曾提出通過隨機(jī)或者漸變地改變一維光子晶體每個(gè)單元內(nèi)介質(zhì)層的厚度的方法來拓寬帶隙。雖然該方法理論上可行，但其在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中的可行性欠佳。另一種方法是利用幾個(gè)一維光子晶體的組合[11-12]來獲得較大的相對帶寬。通過調(diào)整各個(gè)光子晶體的周期數(shù)，使每個(gè)晶體的禁帶互相銜接，從而擴(kuò)展了相對帶寬。該方法獲得的光子晶體通常被稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體。

評價(jià)禁帶寬度一般有兩種方式：一種是計(jì)算禁帶的絕對帶寬，即禁帶上下邊界的差值；另一種則是計(jì)算絕對帶寬和禁帶中心的比值，即相對帶寬D(Δω/ω0)。兩個(gè)一維光子晶體合成后的相對帶寬D0可表示為[13]

(6)

兩個(gè)光子晶體相對帶寬的簡單代數(shù)相加為

(7)

其中，a1、b1、a2、b2分別為歸一化的兩個(gè)晶體禁帶的下邊界和上邊界，以(2πc/Λ)為單位，Λ為周期。這種通過若干個(gè)晶體疊加的方式能夠擴(kuò)展一維光子晶體的相對帶寬，且與疊加順序無關(guān)[14]。

圖2為本文設(shè)計(jì)的光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。我們選用碲(Te)和氟化鎂(MgF2)分別作為高低折射率材料[15]，充分考慮這兩種介質(zhì)材料在近中紅外波段實(shí)部和虛部的影響，設(shè)計(jì)了SUB|(AB)5|(AB)2(ABC)AB|AIR異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體。其中SUB是基底，AIR是空氣，A為高折射率材料Te，B為低折射率材料MgF2。前5個(gè)周期為PC1，A的厚度為161.73 nm，B的厚度為558.6 nm；后4個(gè)周期為PC2，A的厚度為80.56 nm，B的厚度為281.96 nm(第8周期A的厚度為10.93 nm，B的厚度為687.78 nm)。C為摻雜材料鍺(Ge)，厚度為21.89 nm。其中第8周期厚度不同的A和B以及摻雜材料C是對PC2引入的兩種缺陷。由于PC1和PC2是相互獨(dú)立的兩個(gè)對稱結(jié)構(gòu)，因此在PC2中引入的缺陷不會對PC1的帶隙產(chǎn)生影響[16]，而且可以在PC2的帶隙中產(chǎn)生兩個(gè)缺陷態(tài)。由缺陷模的波函數(shù)的迭加[17]可知，兩缺陷層間的光學(xué)厚度越小，其間的相互作用就越強(qiáng)[18]。由于文中設(shè)計(jì)的這兩種缺陷的光學(xué)距離很小，因此，微小的光學(xué)厚度以及相對位置的變化均會引起缺陷位置和透過率的急劇變化。所以，在制備過程中對膜層厚度和相對位置的控制提出了較高要求，應(yīng)盡量減小膜層位置及厚度對光子晶體特性的影響。通過理論計(jì)算，獲得該結(jié)構(gòu)光子晶體的光譜反射率和吸收率曲線分別如圖3和圖4所示。

圖2 光子晶體結(jié)構(gòu)圖

圖3 光子晶體的光譜反射率

圖4 光子晶體的光譜吸收率

4 結(jié)果分析

從圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)光子晶體在1～5 μm波段出現(xiàn)了高反帶，在1.81～2.47 μm波段內(nèi)的反射率達(dá)到95.07%以上，在2.47～5 μm波段內(nèi)的反射率為1。覆蓋在飛行器表面的這種具有高反射帶光子晶體，可以使飛行器產(chǎn)生的處于高反射帶內(nèi)的大部分紅外輻射反射回去，從而有效抑制飛行器高溫表面的紅外輻射；同時(shí)，在1.06 μm和1.54 μm處的反射率分別為1.21%和1.79%，形成了兩個(gè)明顯的反射谷，這兩個(gè)常見軍用激光器波長處的低反射可大大降低對方探測激光的回波功率，達(dá)到激光隱身的目的，從而可使飛行器避免來自激光器的威脅。結(jié)合圖4的光譜吸收率曲線可知，在1.06 μm和1.54 μm處的吸收率分別為98.79%和96.48%。從1.54 μm之后，吸收率急劇降低。吸收率在1.81 μm處為4.72%；在1.81～2.47 μm范圍內(nèi)，吸收率保持在4.72%以下；在2.47～5 μm范圍內(nèi)，吸收率為0。說明這兩個(gè)激光波長處的低反射率是由光子晶體的高吸收造成的，而在其他波段，光子晶體的吸收率很低。在圖3的反射率曲線中，反射率從5 μm之后開始下降，5.16 μm處的反射率為95.04%，5.19 μm處下降到90.30%，之后開始低于90%，在5.28 μm處達(dá)到最低，為37.72%，之后雖然稍有上升，但是最高僅為90.03%，這之后又有更大幅度的下降?？傮w來說，反射率一直維持在一個(gè)較低的水平上。而由圖4可以看出，吸收率在這個(gè)波段也一直維持在極低的水平上。這些波段的低反射和低吸收必然對應(yīng)著高透射，這種特性使光子晶體在高反射帶和1.06 μm、1.54 μm高吸收所積聚的能量透射出去，起到散熱的作用，避免溫度的升高對光子晶體的壽命以及隱身效能產(chǎn)生影響。這部分能量大部分處在紅外大氣窗口之外，由于大氣中的水蒸氣、二氧化碳和臭氧的強(qiáng)烈吸收而迅速衰減，從而不能夠被探測方所接收?？梢钥闯?，本文設(shè)計(jì)的光子晶體既能夠抑制近中紅外波段的紅外輻射，又能吸收1.06 μm和1.54 μm的入射激光，同時(shí)還能保持其他波段的高透射，這種對反射率、吸收率和透射率的人為干預(yù)起到了光譜轉(zhuǎn)換的作用，在多光譜兼容偽裝方面具有一定的意義。

在設(shè)計(jì)中，缺陷膜層厚度變化對缺陷膜的影響十分明顯，且這種影響不是獨(dú)立的。保持其他層厚度不變，當(dāng)?shù)?周期(缺陷周期)的Te層厚度增加10 nm時(shí)，1.06 μm激光的反射率變?yōu)?.83%，而1.54 μm激光的反射率增加到63.48%；當(dāng)減少10 nm時(shí)，1.06 μm激光的反射率增加到4.68%，而1.54 μm激光的反射率激增至86.81%。同樣保持其他層厚度不變，改變摻雜層Ge的厚度，當(dāng)其增加10 nm時(shí)，1.06 μm激光的反射率增至14.23%，1.54 μm激光的反射率增加到9.69%；當(dāng)減少10 nm時(shí)，1.06 μm激光的反射率變?yōu)?7.22%，而1.54 μm激光的反射率增至8.45%。繼續(xù)增大改變量，增加20 nm時(shí)，1.06 μm激光反射率增加到37.30%，1.54 μm激光反射率增加到24.44%；當(dāng)減少20 nm時(shí)，1.06 μm激光反射率變?yōu)?1.48%，而1.54 μm激光反射率增加到25.80%，這時(shí)該光子晶體已經(jīng)失去對激光的偽裝作用。由此可見，膜層厚度的控制是這種光子晶體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)光子晶體的帶隙和光子局域特性，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)近中紅外和1.06 μm與1.54 μm激光兼容隱身的光子晶體材料。首先利用薄膜的傳輸矩陣法，對電磁波在光子晶體中的傳播進(jìn)行了理論分析，隨后利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)拓展了光子晶體的帶隙，使之在1.81～2.47 μm波段的反射率達(dá)到95.07%以上，在2.47～5 μm波段的反射率達(dá)到1。針對PC2引入兩種缺陷，使得1.06 μm和1.54 μm處的反射率降低到1.21%和1.79%。 最后對設(shè)計(jì)過程當(dāng)中應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了定量分析，說明了精確控制膜層物理厚度的重要性。文中設(shè)計(jì)光子晶體時(shí)運(yùn)用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論、摻雜理論等對實(shí)現(xiàn)其他波段的紅外兼容偽裝具有一定的借鑒意義。

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張繼魁(1992-)，男，河南周口人，碩士研究生，2015年于合肥電子工程學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光子晶體方面的研究。

E-mail: m17718130921@163.com

E時(shí)家明(1966-)，男，安徽巢湖人，教授，博士生導(dǎo)師，1996年于中國科學(xué)院等離子體物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事隱身與反隱身技術(shù)的研究。

E-mail: shijiaming66@163.com

Research on Compatible Stealth Photonic Crystal Against Near/Middle Infrared and 1.06 μm and 1.54 μm Lasers

ZHANG Ji-kui, SHI Jia-ming*, MIAO Lei, WANG Qi-chao, ZHAO Da-peng, ZENG Jie

(StateKeyLaboratoryofPulsedPowerLaserTechnology,ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:shujiaming66@163.com

A compatible stealth material against near/middle infrared as well as 1.06 μm and 1.54 μm lasers, based on the structure of one-dimensional photonic crystal (PC) was designed to achieve the compatible stealth of high temperature part of aircrafts against infrared and lasers. Based on the transfer matrix method (TMM) of thin-film optical theory and heterogeneous structure theory, the forbidden band can be broadened to cover the near/middle infrared wave band. Then, two defects were added to the periodical structure of the PC according to the doping theory. The results show that there are two defect modes that located in the wavelengths of 1.06 μm and 1.54 μm in the band gap of 1-5 μm, respectively, with the corresponding spectral reflectance of 1.21% and 1.79%. This PC with “hole-digging spectrum” can realize the compatible stealth against near/middle infrared as well as 1.06 μm and 1.54 μm lasers.

photonic crystal; near/middle infrared; laser; compatible stealth

1000-7032(2016)09-1130-05

2016-05-09；

2016-06-27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA0392)資助項(xiàng)目

TN29

A

10.3788/fgxb20163709.1130