一種具有均勻衍射分布的電磁屏蔽激光紅外雙波段光窗

李 季,肖 迪

(1.湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司,湖北 武漢 430223；2.青島嘉星晶電科技股份有限公司,山東 青島 266108)

1 引 言

金屬網(wǎng)柵薄膜是一種非連續(xù)性的透明導(dǎo)電薄膜,在可見(jiàn)光和紅外波段呈高透特性,在微波和雷達(dá)波波段則呈高反帶阻特性。金屬網(wǎng)柵薄膜一般具有周期性結(jié)構(gòu),改變其周期結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)特定波段的濾波功能,這是因?yàn)榻饘倬W(wǎng)柵薄膜的線(xiàn)寬為微米或亞微米量級(jí),周期為亞毫米量級(jí),可見(jiàn)光和紅外波段的電磁屏蔽波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬網(wǎng)柵的周期長(zhǎng)度,微波及雷達(dá)波段電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于網(wǎng)柵周期。表面制備有金屬網(wǎng)柵薄膜的光窗兼具光學(xué)波段的高透過(guò)性和微波/雷達(dá)波段的優(yōu)良電磁屏蔽特性,成為目前較為常用的實(shí)現(xiàn)光學(xué)窗口電磁屏蔽的技術(shù)手段之一[1-4]。

金屬網(wǎng)柵薄膜的非連續(xù)性,導(dǎo)致其對(duì)入射光束會(huì)產(chǎn)生衍射作用,將其鍍制在光電探測(cè)設(shè)備光學(xué)窗口上時(shí),衍射光會(huì)成為光學(xué)系統(tǒng)中的雜光,影響成像質(zhì)量,會(huì)造成設(shè)備分辨率和探測(cè)距離的下降。為了降低這一不利影響,國(guó)內(nèi)外的科研工作者進(jìn)行了大量的工作,試圖通過(guò)改變金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)來(lái)定量控制次級(jí)衍射分布[5-8]。本文提出了一種隨機(jī)圓環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)柵,對(duì)網(wǎng)柵的光學(xué)透過(guò)率、衍射分布和電磁屏蔽效能進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明該網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)具有良好的光學(xué)/電磁屏蔽性能。

2 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵設(shè)計(jì)

本文隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用四方排列圓環(huán)結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)圓環(huán)的圓心和直徑進(jìn)行隨機(jī)賦值,得到隨機(jī)圓環(huán)結(jié)構(gòu)。考慮到工程化應(yīng)用,隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵不能無(wú)限制擴(kuò)大,一般會(huì)使用一定數(shù)量的隨機(jī)圓環(huán)作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元,修飾邊界之后,最終得到周期化隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵,設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵設(shè)計(jì)流程圖

為了使本文設(shè)計(jì)的隨機(jī)網(wǎng)柵可以進(jìn)行周期化處理,在隨機(jī)圓環(huán)結(jié)構(gòu)外包裹了一層半徑相同的周期性圓環(huán),這些圓環(huán)的半徑和隨機(jī)圓環(huán)左下角圓環(huán)半徑相同,設(shè)定為100 μm,其他圓環(huán)直徑按照相應(yīng)比例進(jìn)行縮放,圓環(huán)網(wǎng)柵線(xiàn)寬為3 μm。

3 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵性能仿真

3.1 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布仿真

隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布仿真計(jì)算基于離散化思想,將網(wǎng)柵圖形進(jìn)行像素化處理,變換為二維平面上的黑白兩色位圖,其中網(wǎng)柵線(xiàn)條為黑色不透光,網(wǎng)柵網(wǎng)孔為白色透光；再將黑白雙色位圖轉(zhuǎn)變?yōu)榘?和1兩種元素的矩陣,透光部分在矩陣中的數(shù)值為1,不透光部分在矩陣中的數(shù)值為0,將隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵圖形轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的二維矩陣,將此矩陣做快速傅里葉變換之后取模平方,就得到了隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的衍射分布圖。

在離散化的衍射分布計(jì)算之前,需要建立衍射屏,衍射屏由透光的金屬網(wǎng)柵網(wǎng)衍射孔和不透光的網(wǎng)柵線(xiàn)條、遮擋板組成。離散化衍射分布計(jì)算中衍射屏遮光面積是有限的,在衍射孔徑固定時(shí),若孔徑四周遮光面積過(guò)小,則不能夠滿(mǎn)足夫瑯禾費(fèi)衍射條件,會(huì)造成衍射分布計(jì)算結(jié)果誤差較大或者失真。為了保證離仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,需在衍射孔的周?chē)O(shè)置面積較大的不透光遮光板,本文將衍射屏設(shè)置為正方形,衍射孔為圓形,衍射屏邊長(zhǎng)為衍射孔直徑的3倍。如圖2所示。

圖2 金屬網(wǎng)柵衍射仿真衍射屏示意圖

使用快速傅里葉變換對(duì)隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵的衍射分布進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到,隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵次級(jí)衍射較為均勻地分布在零級(jí)衍射光斑周?chē)?沒(méi)有出現(xiàn)周期性網(wǎng)柵所呈現(xiàn)的非常明顯次級(jí)衍射集中分布的現(xiàn)象。為了表征隨機(jī)網(wǎng)柵的衍射分布,本文在隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布圖上取三處離零級(jí)衍50、100和150像素的位置分別代表+1級(jí)、+2級(jí)、+3級(jí)衍射,歸一化衍射能量如表1所示。

表1 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵高級(jí)次衍射能量對(duì)比

圖3 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵衍射能量分布

歸一化衍射能量的定義如等式(1)所示:

(1)

其中,S為歸一化衍射能量；Sn為某一級(jí)次的衍射能量；S0為零級(jí)衍射能量。

從計(jì)算結(jié)果中可以看到,隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵的+1～+3級(jí)衍射能量能夠控制在-4 dB及以下,即次級(jí)衍射能量為零級(jí)衍射的0.01 %以下。

在有電磁屏蔽光窗的光學(xué)系統(tǒng)中,金屬網(wǎng)柵的衍射光是系統(tǒng)中雜散光的主要來(lái)源之一。衍射分布仿真結(jié)果表明,隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的次衍射能量圍繞零級(jí)衍射分布較為均勻,能夠在一定程度上避免次級(jí)衍射的強(qiáng)度疊加,使雜散光成為比較均勻的背景噪聲,降低了網(wǎng)柵次級(jí)衍射對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)成像的不利影響。

3.2 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵光學(xué)透過(guò)率仿真計(jì)算

隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵光學(xué)透過(guò)率仿真計(jì)算方法是通過(guò)計(jì)算網(wǎng)柵透光部分面積與總面積的比值,得到網(wǎng)柵的光學(xué)透過(guò)率。首先將網(wǎng)柵圖形進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,對(duì)于隨機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)柵,只有網(wǎng)柵線(xiàn)條交匯處存在線(xiàn)條面積重合的現(xiàn)象,然而這些交匯處的面積占比非常低,不足網(wǎng)柵線(xiàn)條總面積的1 %,在工程化計(jì)算中可以忽略不計(jì)。將隨機(jī)網(wǎng)柵圖形轉(zhuǎn)換為dxf格式文件,使用CAD軟件讀取每個(gè)柵線(xiàn)的長(zhǎng)度,將長(zhǎng)度求和后再乘以網(wǎng)柵線(xiàn)條寬度,即可得到網(wǎng)柵線(xiàn)條總面積,進(jìn)而可得出網(wǎng)柵的透過(guò)率。

本文中隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵的一個(gè)大周期網(wǎng)柵線(xiàn)條長(zhǎng)度為29330 μm,網(wǎng)柵線(xiàn)條寬度3 μm,每個(gè)周期總面積為1155625 μm,通過(guò)計(jì)算可得隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的光學(xué)透過(guò)率為92.4 %,具有良好的光學(xué)透過(guò)率。

3.3 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真計(jì)算

隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真計(jì)算方法為:將隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到電磁屏蔽效能仿真軟件中,設(shè)置材料為Al,厚度300 nm,并設(shè)置10 mm厚的窗口基底,材料為藍(lán)寶石,設(shè)置周期性邊界條件和入射出射端口后即可進(jìn)行網(wǎng)柵電磁屏蔽效能的仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。可以看到隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽光窗在1～18 GHz頻段范圍內(nèi)屏蔽效能均優(yōu)于20 dB,具有優(yōu)良的電磁屏蔽效能。

圖4 隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)核算

根據(jù)本文構(gòu)建的隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵模型,在現(xiàn)有藍(lán)寶石光電窗口上進(jìn)行了屏蔽網(wǎng)柵的試制工作,試制樣片如圖5所示。

圖5 隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵試制樣片

對(duì)該樣片在鍍制金屬網(wǎng)柵后的透過(guò)率、電磁屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵屏蔽窗口透過(guò)率測(cè)試

表3 隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵屏蔽窗口電磁屏蔽效能測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,藍(lán)寶石光學(xué)窗口在鍍制了隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵后,整體的光學(xué)透過(guò)率能滿(mǎn)足實(shí)際使用需求；電磁屏蔽效果基本符合仿真結(jié)果,具有良好的電磁屏蔽效能。

5 結(jié) 論

本文構(gòu)建了隨機(jī)圓環(huán)金屬網(wǎng)柵模型,對(duì)帶有基底材料的網(wǎng)柵的衍射分布、光學(xué)透過(guò)率和電磁屏蔽效能進(jìn)行了仿真計(jì)算,并進(jìn)行了樣片試制和測(cè)試工作。結(jié)果表明:隨機(jī)圓環(huán)網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的高級(jí)次衍射均勻分布在零級(jí)衍射附近,無(wú)明顯的高級(jí)次衍射集中分布現(xiàn)象,衍射能量強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離零級(jí)衍射的方向下降較快,網(wǎng)柵光學(xué)透過(guò)率滿(mǎn)足使用要求,電磁屏蔽效能優(yōu)于20 dB,具有優(yōu)良綜合性能。