可見光、遠紅外與激光兼容隱身光子晶體薄膜

王 航， 趙大鵬， 張繼魁， 王成名， 陳宗勝， 劉瑞煌， 時家明*

(1. 國防科技大學電子對抗學院 脈沖功率激光技術國家重點實驗室, 安徽 合肥 230037；2. 中國科學技術大學 合肥微尺度物質科學國家研究中心, 安徽 合肥 230036)

1 引 言

隨著各種探測技術不斷發(fā)展，重要軍事目標被發(fā)現(xiàn)的概率越來越大，這對其生存構成了威脅。常用探測器的工作波段包括可見光、紅外和激光，并且開始朝著多波段復合探測的方向發(fā)展。因此對抗單一波段的隱身技術已經(jīng)難以滿足實際需求，需要進一步研究多波段兼容隱身材料。

光子晶體是由高低折射率介質周期性排列形成的新型結構材料，相對于傳統(tǒng)材料，在多波段兼容隱身方面具有獨特的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢源于它的“光子禁帶“和“光子局域”[1-2]。“光子禁帶”是指一段頻譜范圍，光子晶體對頻率處于其中的電磁波具有高反射率的特性。如果對光子晶體的周期性結構引入缺陷，會使光子帶隙中出現(xiàn)一個頻率極窄的透射尖峰(即“光子局域”)，頻率位于尖峰范圍內的電磁波可以在晶體中傳播。目前，國內外對可見光、遠紅外和雙激光(1.06 μm、10.6 μm)兼容隱身光子晶體研究較少[3-5]，因此有必要對上述波段兼容的隱身材料展開研究。

本文利用光子晶體的“光子禁帶”特性來實現(xiàn)遠紅外隱身，利用光子晶體的“光子局域”特性來實現(xiàn)10.6 μm激光的隱身，并且“光子局域”可以達到拓展遠紅外光子禁帶寬度的目的。在該結構基礎上，通過疊加具有特征光譜的準周期結構，可以實現(xiàn)可見光與1.06 μm激光的兼容隱身。從而為可見光、遠紅外和雙激光(1.06 μm、10.6 μm)兼容隱身的實現(xiàn)提供了新的途徑。

2 理論分析

本文選擇傳輸矩陣法(Transfer matrix method,TMM)計算有限厚度光子晶體結構的反射光譜曲線[6-7]。相比于復雜的平面波展開法(Plane wave expansion,PWE)，傳輸矩陣法計算量小、精確度高，尤其在改變光子晶體的摻雜方式時，計算十分方便。

根據(jù)麥克斯韋電磁理論，將電磁波在一維光子晶體中的傳播特性等效為在多個單層中傳播的疊加，利用邊界條件，可以用一個二維矩陣表示每個單層兩邊的場強關系：

(1)

其中E和H均指電場或磁場的切向分量，不再指明下標。

對于多層光子晶體，逐層應用公式(1)的單介層傳輸方程，可以得到

(2)

其中第j層的位相厚度

(3)

第j層的導納

ηj=nj/cosθj， for p-polarisation,

(4)

ηj=njcosθj， for s-polarisation,

(5)

式中nj和dj分別為第j層的折射率及物理厚度?？梢郧蟮梅瓷湎禂?shù)為

(6)

反射率為

R=r·r*,

(7)

透射系數(shù)為

(8)

透射率為

T=t·t*，

(9)

其中η0是入射介質的導納，r*和t*代表共軛。

利用計算機編程可以求出傳輸矩陣中的4個單元A、B、C、D，然后利用公式(6)～(9)，即可求出一維光子晶體或多層非規(guī)整薄膜結構的反射和透射光譜曲線。

在此基礎上，在折射率為ng的基底上連續(xù)鍍制折射率為nH和nL的高低折射率材料，并使介質膜系兩邊最外層均為高折射率層，每層物理厚度均為λ0/4，得到形如Sub|(HL)sH|Air的結構。運用傳輸矩陣理論進行計算，在帶寬為2Δg的區(qū)域內得到高反射率，當光線垂直入射時，在中心波長λ0處反射率R具有極大值：

(10)

(11)

可以看出，nH/nL的值越大，或層數(shù)s越多，則反射率峰值越高，高反射帶越寬。但考慮膜系中材料的吸收和散射損耗時，將限制膜系的最大層數(shù)s。這為光子晶體薄膜的最優(yōu)結構設計提供了理論基礎[8-10]。

3 結構設計

為了實現(xiàn)可見光、遠紅外與雙激光兼容隱身，本文將摻雜光子晶體與準周期膜系疊加，結構如圖1所示。首先在基底材料上鍍制摻雜光子晶體(結構1)，然后將經(jīng)過優(yōu)化設計的準周期膜系(結構2)覆蓋在結構1表面，從而得到新的結構。確定整體結構后，下文分別對兩個組分進行具體設計優(yōu)化。

圖1 光子晶體薄膜結構示意圖

3.1 結構1的設計

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律和基爾霍夫定律，在目標表面涂覆紅外高反射率層可以降低表面發(fā)射率，從而有效抑制目標的熱輻射。而對于10.6 μm激光隱身而言，則需要低反射率隱身材料來降低激光回波功率。傳統(tǒng)的涂料難以實現(xiàn)兩者的兼容，而光子晶體材料可以很好地解決這一矛盾[11-12]。

綜合考慮材料的透光區(qū)、折射率、吸收散射性能、化學與機械穩(wěn)定性等因素后,選擇紅外材料A(Ge，波長10 μm處折射率為4.0)作為光子晶體高折射率組分，紅外材料B(ZnSe，波長10 μm處折射率為2.42)作為光子晶體低折射率組分。中心波長λ0為10 μm，光從空氣介質中垂直入射到晶體表面，合理設置周期數(shù)s后，得到本征結構Sub|(AB)5A|Air, A和B的物理厚度分別為625 nm和1 136 nm。計算得到遠紅外反射光譜曲線如圖2中虛線所示，禁帶基本覆蓋8～12 μm。根據(jù)光子晶體摻雜理論，通過改變距離基底第6層介質的厚度來引入雜質態(tài)，得到摻雜結構Sub|(AB)2AB1(AB)2A|Air,其中B1的物理厚度為2 566 nm，此時的缺陷態(tài)反射值較低，帶寬較窄，品質因子高。計算得到遠紅外輻射在摻雜光子晶體中的傳輸特性如圖2中實線所示?？梢钥闯?，相對于本征光子晶體，摻雜光子晶體的帶隙明顯拓寬，已基本覆蓋8～14 μm，在該波段內平均反射率高達95.61%，理論上具有較好的遠紅外隱身性能。此外，反射光譜中10.6 μm處形成一個明顯的雜質態(tài)，10.6 μm處反射值為2.81%，可以減弱10.6 μm激光的反射功率。由此可知，該摻雜光子晶體可以很好地實現(xiàn)遠紅外與10.6 μm激光兼容隱身[13-15]。

圖2 8～14 μm理論反射光譜

3.2 結構2的設計

經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，在摻雜光子晶體薄膜的表層繼續(xù)覆蓋多層紅外材料后，對結構1的光子帶隙影響較小，從而可以通過改變結構1的膜厚來調控可見光及近紅外波段反射率曲線，使薄膜具備一定顏色。同時在1.06 μm激光處具有低反射率，從而實現(xiàn)可見光與1.06 μm激光兼容隱身。本文選擇常見紅外材料B和材料C(MgF2，500 nm處折射率為1.38)組成4層準周期膜系來實現(xiàn)隱身要求。以3種準周期膜系為代表，結構參數(shù)記錄在表1中，可以看出，膜系已經(jīng)具備明顯的顏色特征。通過計算得到3種結構的CIE 1931色度坐標，如圖3中黑色小點所示，可以確定一種顏色[15-18]。

圖4為計算得到的380～1 100 nm波段內反射光譜曲線，可以看出，3種光譜在可見光波段具有明顯的特征峰，代表一定的顏色特征。理論上用準周期膜系可以得到大多數(shù)用于可見光偽裝的顏色。此外，分析反射光譜可知，膜系1、2和3在波長1.06 μm處的反射率分別為4.1%、1.3%和5.7%，理論上可以大幅度減少1.06 μm激光的回波功率，達到對1.06 μm激光隱身的目的。

表1 結構2參數(shù)和對應顏色

圖3 3種顏色在CIE 1931 色度圖中的表示

Fig.3 Color coordinates with black points in CIE 1931 chromaticity diagram

圖4 380～1 100 nm理論反射光譜

Fig.4 Theoretical reflectance spectra in 380-1 100 nm

4 實驗制備

本文使用真空電子束蒸發(fā)鍍膜技術對上述設計進行制備，它采用e型電子槍產生電子束，薄膜厚度的監(jiān)控采用石英晶體監(jiān)控法，本底真空約為1×10-4Pa。材料A、B、C的純度均大于99.99%。制作3塊圓形形狀柔性基底(直徑約為10 cm，厚度約為0.5 mm)作為沉積光子晶體薄膜的襯底，在制備之前，對襯底進行無水乙醇和超聲波清洗，紫外燈烘干備用。

在沉積材料的過程中，考慮到膜料放氣，鍍膜機腔體真空度保持在5×10-3Pa以下。材料A 為高折射率材料，電子束將其熔融后蒸發(fā)，電子槍束流控制在90 mA左右，沉積速率控制在0.3 nm/s。材料B 為低折射率材料，電子束直接將其升華，比較容易分解，電子槍束流控制在10 mA左右，沉積速率控制在2 nm/s。材料C更容易蒸發(fā)，并且其涉及的膜層均較薄，電子槍束流控制在5 mA左右，沉積速率控制在1 nm/s。

保持上述條件不變的情況下，對設計的3種膜系分別進行制備，然后利用相關儀器對制備得到的薄膜進行測試分析[19-21]。

5 性能測試與結果分析

5.1 微觀結構測試

首先對制備的3種光子晶體薄膜進行掃描電鏡分析，使用的儀器為ZEISS 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)。以青色光子晶體薄膜為例，得到的截面形貌圖如圖5所示。從照片中可以看出，材料A和材料B層間結合致密，分隔面平滑，和理論結構誤差較小。雖然最后4層理論上較薄，但放大后，可以看到材料B和材料C 結合也較致密，具有明顯的分層。因此，本實驗室制備工藝條件下得到的光子晶體具有較好的結構特性。

圖5 微觀形貌圖

5.2 可見光與1.06 μm激光性能測試與分析

通過對第3節(jié)中設計結果進行制備，可以得到的3種顏色的光子晶體隱身薄膜分別為青色、紫色和黃色。一方面可以將它們分別作為單色偽裝色，用于模仿背景基本色或優(yōu)勢背景色，從而降低目標的顯著性。另一方面可以將其組合成變形迷彩，如圖6所示，將其置于復雜的環(huán)境中，對目標的可見光圖像具有一定的分割能力，達到歪曲目標外形的效果。此外，可以根據(jù)環(huán)境的色彩情況，調節(jié)結構2的光譜，得到符合條件的顏色來配置三色迷彩。

圖6 可見光迷彩照片

然后利用Avantes光譜儀測試3種薄膜的可見光-近紅外光譜，測試波段范圍為380～1 100 nm。將得到的光譜經(jīng)平滑去噪處理后得到圖7?？梢钥闯?，光譜曲線與理論具有一定差異，主要原因是由于薄膜制備過程中的真空度、沉積速率等條件不能穩(wěn)定控制。但是光譜中的顏色特征峰還是比較明顯，符合理論預期。光譜中1.06 μm處反射率均為10%左右，與預期差值較小，可以用來減小1.06 μm激光的反射能量，達到隱身的目的。

圖7 380～1 100 nm實測反射光譜

5.3 遠紅外與10.6 μm激光性能測試與分析

對于光子晶體薄膜的遠紅外隱身性能檢測，8～14 μm波段發(fā)射率是一個重要的因素。本文利用美國材料測試協(xié)會在《ASTM E1933-99a(2005)》中介紹的熱像儀測量發(fā)射率的方法進行測試，測試思想是：首先通過接觸式溫度計確定樣品表面的真實溫度；然后利用熱像儀內置的測溫方法，調節(jié)樣品區(qū)域的發(fā)射率設定值，直至測得的溫度與樣品的真實溫度相等，該發(fā)射率設定值即為樣品表面的發(fā)射率[22]。

本文測試使用Jenoptik varioCAM紅外熱像儀，其工作波段為8～14 μm。將3塊光子晶體薄膜按圖6的方式組合后貼于加熱板表面，把加熱板加熱至60 ℃后保持穩(wěn)定，拍攝熱像圖以灰度圖的形式展示在圖8中。然后利用上述方法測得3塊材料的輻射溫度、實際溫度與發(fā)射率，數(shù)據(jù)記錄在表2中。

圖8 遠紅外熱像圖

Tab.2 Radiation temperature and emissivity of photonic crystals

從表2中可以看出，3種光子晶體隱身薄膜均可以明顯地降低輻射溫度，溫差達30 ℃。表面發(fā)射率ε小于0.3，優(yōu)于一般的隱身涂料(ε=0.6)[23]，故而對遠紅外具有很好的隱身效果。其中所制備的黃色光子晶體薄膜的表面發(fā)射率略高于青色和紫色，與熱像圖保持吻合。

使用Nicolet 8700傅里葉變換紅外光譜儀測試光子晶體薄膜在遠紅外的反射光譜，結果如圖9所示，可以看出3種光子晶體在8～14 μm波段均形成了明顯的帶隙特征，其中黃色光子晶體帶隙寬度比青色和紫色窄，這也是黃色光子晶體薄膜發(fā)射率高的原因。除此以外，光譜在10.6 μm處均形成明顯的反射谷，谷底反射率均保持在40%左右，較理論有所提高，主要是薄膜制備時膜厚控制、速率等因素變化造成的誤差，但仍然可以在一定程度上降低10.6 μm激光的回波功率。

圖9 8～14 μm實測反射光譜

此外，由于本文選擇的材料均為非金屬材料，對雷達波透明，因而該薄膜可以與雷達吸波材料組合來實現(xiàn)可見光、紅外、激光與雷達波的兼容隱身。

6 結 論

本文利用傳輸矩陣理論和真空電子束蒸發(fā)鍍膜工藝，設計并制備了3種顏色的可見光、遠紅外、1.06 μm及10.6 μm激光的兼容隱身光子晶體薄膜。通過各種相關的儀器對樣品的微觀結構、遠紅外輻射溫度和反射光譜進行了測試和分析。結果表明，3種顏色的光子晶體薄膜均能很好地滿足上述波段的兼容隱身，具有明顯的實用價值。