基于多層MIM結(jié)構(gòu)超材料的耐高溫波長(zhǎng)選擇性寬帶紅外隱身特性研究

鄒景嵐,梁 廣,朱志宏

(1.63893部隊(duì),河南 洛陽 471000；2.國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

1 引 言

紅外隱身技術(shù),是通過降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度、改變目標(biāo)的紅外輻射特性等從而實(shí)現(xiàn)降低目標(biāo)的可探測(cè)性的技術(shù),被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈等軍事裝備中實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外探測(cè)設(shè)備的“隱身”[1-11]。傳統(tǒng)的紅外隱身技術(shù)一般是采用金屬或者低輻射率的涂層來抑制目標(biāo)的紅外輻射[12-13]。雖然這種方法可以實(shí)現(xiàn)紅外隱身,但是因?yàn)槟繕?biāo)紅外輻射減少,能量積蓄效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致溫度升高,過高的溫度會(huì)燒毀涂層。同時(shí),紅外輻射功率與溫度的四次方成正比,溫度升高也必然導(dǎo)致紅外輻射增強(qiáng),隱身能力減弱[14]。所以,發(fā)展既能耐高溫,又能在高溫下抑制紅外輻射的隱身技術(shù)顯得非常必要和急需。為了克服這一矛盾,利用波長(zhǎng)選擇性的紅外輻射是有效途徑之一。具體而言,隱身層需在特定的大氣窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有較低的發(fā)射率,以使其不可見,而在大氣窗口之外(5 ～8 μm)用于輻射冷卻波段卻具有寬帶的高發(fā)射率,其發(fā)射的5～8 μm波段電磁波由于大氣層內(nèi)部的衰減和吸收而無法被紅外探測(cè)設(shè)備檢測(cè)到,從而實(shí)現(xiàn)紅外隱身[1,15-21]。

超材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料,其單元結(jié)構(gòu)或材料分布的空間變化具有亞波長(zhǎng)周期性[22],概念來源于1968年前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格假設(shè)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值的物質(zhì),其電磁學(xué)特性與常規(guī)材料有較大差異[23],近年來引起了廣泛關(guān)注?？茖W(xué)家們通過結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)可以構(gòu)建具有任意有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的超材料,實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率[24-25]、零折射率[26]、雙曲各向異性[27]等超常電磁特性,可用于各種領(lǐng)域,如超透鏡[28-31]、天線[32-33]等。特別的,超材料也被重點(diǎn)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性紅外輻射電磁隱身[34-36]。2011年,美國(guó)波士頓大學(xué)的Liu等人通過設(shè)計(jì)多個(gè)十字型金屬納米結(jié)構(gòu)超材料,結(jié)合混合共振的概念,在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了高Q值單頻帶和雙頻帶的中紅外完美發(fā)射/吸收器,基于此結(jié)構(gòu),超材料發(fā)射器不僅可以在理想黑體極限附近獲得高發(fā)射率,并且可以在期望的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射譜[7]。2018年,國(guó)防科技大學(xué)Peng等人設(shè)計(jì)了一種基于Ag/Ge多層薄膜的選擇性熱發(fā)射器,該結(jié)構(gòu)可以在大氣窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)低發(fā)射率(ε3～5 μm=0.18,ε8～14 μm=0.31,即紅外“不可見”)和非大氣窗口實(shí)現(xiàn)高發(fā)射率(ε5～8 μm=0.82,即輻射冷卻),并且由于其平面結(jié)構(gòu)的延展性,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大面積制備[37]。然而,當(dāng)前利用超材料實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性紅外輻射隱身也有不足,一是輻射冷卻波段5～8 μm的發(fā)射率較低,且?guī)挷粔驅(qū)?導(dǎo)致目標(biāo)溫度很高,而這些研究都沒有考慮溫度升高對(duì)紅外輻射率的影響；二是僅僅考慮的是垂直輻射時(shí)的波長(zhǎng)選擇性,沒有考慮紅外輻射的角度選擇性。

本文致力于解決上面兩個(gè)關(guān)鍵問題,提出和設(shè)計(jì)了基于耐高溫金屬材料鉬Mo的多層MIM結(jié)構(gòu)超材料,實(shí)現(xiàn)了5～8 μm波段的寬帶高發(fā)射(吸收),中紅外波段3～5 μm和遠(yuǎn)紅外波段8～14 μm的寬帶低發(fā)射(吸收),結(jié)果同時(shí)表明該隱身結(jié)構(gòu)耐高溫性能非常突出,在500～2500 K溫度范圍內(nèi)其紅外輻射特征都能被抑制,此外,紅外輻射的角度選擇性也較好,入射角在75°范圍內(nèi)時(shí)5～8 μm和8～14 μm波段輻射特性無明顯變化。

2 物理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外隱身技術(shù)的核心是紅外光與物質(zhì)的相互作用問題,而紅外光與物質(zhì)的相互作用可以通過共振結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)和調(diào)控。超材料既可以實(shí)現(xiàn)電共振也可以支持磁共振,其中磁共振因?yàn)樘厥獾闹C振特性和電磁場(chǎng)分布被廣泛研究。1999年,Yen等人在微波波段提出了開口環(huán)諧振器來實(shí)現(xiàn)磁共振,其物理機(jī)理來源于垂直于開口環(huán)的入射光在開口環(huán)中激發(fā)了諧振增強(qiáng)的震蕩電流,進(jìn)而產(chǎn)生了垂直于開口環(huán)的磁偶極矩[38]。從那之后科學(xué)家們提出了許多新的超材料結(jié)構(gòu)在光波段實(shí)現(xiàn)磁共振,例如漁網(wǎng)型[39]和納米三明治型[40]。在我們的前期工作中我們發(fā)現(xiàn)金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)中可以激發(fā)磁共振模式[41]。MIM結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,根據(jù)Pendry等人的理論,上下金屬層在紅外波段可以分別被等效成兩個(gè)不同的等效電感,同時(shí),上下金屬層之間的介質(zhì)隔層可以被看作等效電容[25]。因此,圖1中的MIM結(jié)構(gòu)可以被看做一個(gè)等效的LC(inductance-capacitance)電路,此等效電路支持很強(qiáng)的磁共振,其中L1、L2表示等效電感,C代表等效電容。對(duì)于磁共振的一個(gè)更物理的理解是,當(dāng)一束紅外光以特定的偏振方向以及特定的頻率從空氣入射到結(jié)構(gòu)上時(shí),上下金屬層的金屬表面上的電荷會(huì)與入射電磁波發(fā)生共振并且會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)反向平行振蕩的電流。產(chǎn)生的反向平行的電流與介質(zhì)隔層中的電場(chǎng)矢量形成環(huán)路,磁場(chǎng)穿過環(huán)路。所以說,圖中的MIM結(jié)構(gòu)可以被看做一個(gè)等效的LC電路并且支持磁共振。根據(jù)分析,一層MIM結(jié)構(gòu)支持幾個(gè)不同階數(shù)的磁共振,由諧振特性可知,其共振是窄帶的,相應(yīng)的只能實(shí)現(xiàn)窄帶的紅外發(fā)射(吸收)調(diào)控。如此,我們提出多層MIM結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)寬帶紅外發(fā)射(吸收)調(diào)控。這是由于多層MIM結(jié)構(gòu)能夠提供多個(gè)磁共振,并且磁共振的共振頻率可以通過等效L1、L2、C來調(diào)控,而等效L1、L2、C又是由金屬的厚度和寬度、介質(zhì)隔層的厚度等決定。如此,我們可以增加MIM結(jié)構(gòu)的層數(shù)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性寬帶紅外隱身。

圖1 金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)單元及等效LC電路原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of metal-dielectric-metal sandwich structure unit and equivalent LC circuit principle

本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)由耐高溫材料金屬鉬Mo和介質(zhì)MgF2組成,如圖2所示。這些單元結(jié)構(gòu)周期性地排列可以形成一維光柵陣列和二維光柵結(jié)構(gòu)超材料。由于一維光柵和二維光柵結(jié)構(gòu)在參數(shù)相同的情況下只是偏振相關(guān)與否的差別,因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算,只考慮基于一維光柵結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)超材料吸收器。分別設(shè)計(jì)了1層、3層、5層和7層超材料吸收器,其單元結(jié)構(gòu)側(cè)視圖分別如圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示,襯底為Mo,中間介質(zhì)層為MgF2,上面的一維光柵陣列由Mo層和MgF2層交替堆疊,光柵陣列在y方向無限延伸,該吸收器的周期為p=2.5 μm,Mo襯底的厚度H1=0.1 μm,中間介質(zhì)層MgF2的厚度D1=30 nm,一維光柵陣列寬度w=1.4 μm,其他參數(shù)分別為H2=80 nm,D2=60 nm,H3=100 nm,D3=30 nm,H4=120 nm,D4=100 nm,H5=120 nm。本文使用COMSOL Multiphysics進(jìn)行全波數(shù)值模擬,設(shè)置x方向?yàn)橹芷谶吔鐥l件,y方向?yàn)槲者吔?其中MgF2的折射率設(shè)定為1.4,Mo的折射率參數(shù)來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 基于多層結(jié)構(gòu)的超材料紅外隱身吸收器單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the unit structure of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure note

根據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law),物體的紅外輻射能量為E0=σεT4,式中σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),ε為物體的發(fā)射率,T為物體的絕對(duì)溫度[42]。因此,在溫度一定時(shí)(即物體處于熱平衡狀態(tài),此時(shí)的熱輻射為平衡熱輻射),紅外輻射由材料發(fā)射率決定。而根據(jù)基爾霍夫定律(Kirchhoff laws)可知,在任意溫度T和波長(zhǎng)λ下,透明熱平衡物體的發(fā)射率ε等于其吸收率α[43]。因此我們可以通過研究超材料結(jié)構(gòu)的紅外吸收率來得到其紅外發(fā)射特性。為了設(shè)計(jì)和研究波長(zhǎng)選擇性紅外輻射,我們需要知道大氣吸收譜線。

我們使用MODTRAN仿真軟件構(gòu)建大氣輻射傳輸模型,推導(dǎo)得出大氣吸收譜線。MODTRAN(MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and computer model),即中等光譜分辨率大氣透過率及輻射傳輸算法和計(jì)算模型,可以計(jì)算0 cm-1到5000 cm-1的大氣輻射傳輸,光譜分辨率為2 cm-1。接著設(shè)置大氣成分的相關(guān)參數(shù),包括O2、O3、H2O、CO2和CH4等,觀測(cè)高度設(shè)置為100 km,天頂角為180°,這里只考慮紅外波段,因此設(shè)置光譜計(jì)算范圍為1～14 μm,在計(jì)算過程中考慮了大氣中幾乎所有大氣分子的散射、吸收以及云層、氣溶膠的散射和吸收效應(yīng),假設(shè)經(jīng)過云層和塵埃等反射之后的太陽輻射為1,因此只考慮大氣透射和大氣吸收,最后計(jì)算得出大氣吸收譜線,如圖3所示。從圖3中可以看出紅外波段的大氣窗口主要有:近紅外波段1.5～1.9 μm,中紅外波段3～5 μm,遠(yuǎn)紅外波段8～14 μm?；诖?可以進(jìn)行紅外隱身超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算。

圖3 MODTRAN得出的大氣吸收譜線(經(jīng)過滑動(dòng)平均擬合過)Fig.3 The atmospheric absorption spectrum obtained by MODTRAN(fitted by moving average)

3 結(jié)果與討論

3.1 入射光波長(zhǎng)和角度對(duì)吸收/發(fā)射率的影響

首先考慮入射角為0即正入射情況,考慮TM模(磁場(chǎng)矢量與入射面垂直)入射,得到的吸收譜線如圖4所示。分析圖4中的吸收譜線可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于一層結(jié)構(gòu),有一個(gè)吸收峰位于6.95 μm,吸收率達(dá)到76.65 %,其吸收帶寬為0.95 μm；對(duì)于三層結(jié)構(gòu),有兩個(gè)吸收峰,分別位于5.75 μm和6.95 μm,吸收率分別可以達(dá)到99.98 %和87.7 %,其吸收帶寬為2.05 μm；對(duì)于五層結(jié)構(gòu),有兩個(gè)吸收峰,吸收率分別為99.68 %和99.97 %,吸收帶寬為2.345 μm；對(duì)于七層結(jié)構(gòu),有三個(gè)吸收峰,分別位于5.3 μm,6 μm和6.9 μm,吸收率分別可以達(dá)到99.45 %,98.52 %和97.24 %,吸收帶寬為3.1 μm。分析可知,光柵結(jié)構(gòu)中層數(shù)堆疊越多,吸收器吸收帶寬越寬,當(dāng)堆疊層數(shù)為7層時(shí),實(shí)現(xiàn)了5～8 μm波段的寬帶高吸收,平均吸收率達(dá)90 %以上,這與我們前面的物理分析完全一致。相反地,我們也能發(fā)現(xiàn),中紅外波段3～5 μm和遠(yuǎn)紅外波段8～14 μm的吸收率卻相對(duì)較低,平均20 %以下。這意味著,我們提出的多層MIM結(jié)構(gòu)在大氣窗口之外(5～8 μm)具有寬帶高發(fā)射率,但是其發(fā)射的5～8 μm波段電磁波由于大氣層內(nèi)部的衰減和吸收而無法被紅外探測(cè)設(shè)備檢測(cè)到,同時(shí)其在能被紅外探測(cè)設(shè)備檢測(cè)的大氣窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有較低的發(fā)射率,也不易被探測(cè),因此其具有寬波段紅外不可見性,從而能實(shí)現(xiàn)寬帶紅外隱身。

圖4 基于多層結(jié)構(gòu)的超材料紅外隱身吸收器在TM模式入射光下的吸收率和入射波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.4 The relationship between the absorptivity and the incident wavelength of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure under the incident light of TM mode

為了直觀理解其物理機(jī)理,接著計(jì)算了這些不同層數(shù)超材料在各個(gè)吸收峰處的電、磁場(chǎng)分布,分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示,計(jì)算中已將入射電場(chǎng)E和入射磁場(chǎng)H的大小進(jìn)行了歸一化處理,其中圖5(a),圖6(a)、(c),圖7(a)、(c),圖8(a)、(c)、(e)是電場(chǎng)分量Ey分布圖,圖5(b),圖6(b)、(d),圖7(b)、(d),圖8(b)、(d)、(f)是磁場(chǎng)分量Hz分布圖。分析這些圖可知,各個(gè)吸收峰處對(duì)應(yīng)的場(chǎng)具有顯著特點(diǎn):電場(chǎng)(位移電流)形成環(huán),磁場(chǎng)從環(huán)中穿過。這是典型的磁共振模式的場(chǎng)分布特征,所以我們認(rèn)為這是由于介質(zhì)層內(nèi)的磁共振被入射場(chǎng)激發(fā),從而導(dǎo)致了吸收峰的出現(xiàn),不同階數(shù)的磁共振導(dǎo)致了不同共振峰的出現(xiàn)。

圖5 一層結(jié)構(gòu)超材料紅外隱身吸收器在6.95 μm吸收峰處的歸一化場(chǎng)分布Fig.5 Normalized field distribution of one-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 6.95 μm absorption peak

圖6 三層結(jié)構(gòu)超材料紅外隱身吸收器在 5.75 μm和6.95μm吸收峰處的歸一化場(chǎng)分布Fig.6 Normalized field distribution of three-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.75 μm and 6.95 μm absorption peak

圖7 五層結(jié)構(gòu)超材料紅外隱身吸收器在 5.85 μm和6.95μm吸收峰處的歸一化場(chǎng)分布Fig.7 Normalized field distribution of five-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

圖8 七層結(jié)構(gòu)超材料紅外隱身吸收器 在5.3 μm,6 μm和6.9μm吸收峰處的歸一化場(chǎng)分布Fig.8 Normalized field distribution of seven-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

前面考慮的是TM模式正入射的情況,接下來改變?nèi)肷浣嵌?。這里以五層結(jié)構(gòu)為例,圖9描述了該一維光柵陣列多層結(jié)構(gòu)紅外隱身超材料吸收器的吸收率與入射角和波長(zhǎng)的關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)光譜范圍在5.5～7.5 μm時(shí),隨著入射角的增加,吸收率逐漸降低,但當(dāng)入射角在小于75°范圍內(nèi)時(shí)吸收器都可以保持超過60 %的吸收率。然而,當(dāng)入射角繼續(xù)增加到接近85°時(shí),吸收率會(huì)有非常大的衰減。這是因?yàn)槁尤肷淝闆r下,入射場(chǎng)絕大部分被結(jié)構(gòu)的上界面反射,磁共振效應(yīng)變得很弱,從而磁共振導(dǎo)致的增強(qiáng)吸收變?nèi)酢?/p>

圖9 五層結(jié)構(gòu)紅外隱身超材料吸收器的吸收率與入射角和波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.9 The relationship between the absorption rate of the five-layer infrared stealth metamaterial absorber and the incident angle and wavelength

3.2 溫度對(duì)紅外隱身性能的影響

最后考慮溫度對(duì)該多層超材料吸收器紅外隱身性能的影響。由于使用的金屬材料為Mo,Mo作為一種過渡金屬材料,熔點(diǎn)很高,能達(dá)到2620 ℃,因此該多層超材料吸收器具有良好的耐高溫特性。在計(jì)算中,假設(shè)來自物體的紅外信號(hào)在地表附近的大氣層中水平傳輸1 km。圖10描述了黑體、常規(guī)表面和超材料吸收(發(fā)射)器(根據(jù)基爾霍夫輻射定律[Kirchhoff’s law of thermal radiation],物體的吸收率等于其發(fā)射率)在不同溫度下的光譜輻射出射度的對(duì)比,其中黑體的光譜輻射出射度根據(jù)普朗克黑體

(a)500 K

(b)1200 K

(c)1800 K

(d)2500 K圖10 不同溫度下黑體、常規(guī)表面和紅外隱身超材料吸收(發(fā)射)器的光譜輻射出射度Fig.10 Spectral radiation output of blackbody law, conventional surface and infrared stealth metamaterial absorber(emitter)at different temperatures

輻射定律計(jì)算:

(1)

式(1)中h是普朗克常數(shù);c是真空中的光速;K是玻爾茲曼常數(shù);T是溫度;λ是入射光波長(zhǎng)。結(jié)合圖4中的吸收數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到常規(guī)表面和紅外隱身超材料吸收(發(fā)射)器的結(jié)果。

可以看到,在T=500 K,1200 K,1800 K和2500 K時(shí),提出的超材料吸收器仍保持良好的性能,這意味著吸收器在不同溫度下都能正常工作。具體來說,在T=500 K時(shí),中紅外MWIR和遠(yuǎn)紅外LWIR波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射分別降低90.21 %和83.52 %。當(dāng)溫度變?yōu)?200 K時(shí)則降低90.35 %和82.26 %,在溫度為1800 K時(shí)分別為90.25 %和82 %,溫度為2500 K時(shí)則分別為90.19 %和81.86 %。這意味著在不同溫度下該多層結(jié)構(gòu)紅外隱身超材料吸收器的紅外輻射特性都會(huì)大幅度降低,從而在較大的溫度范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)紅外隱身。同時(shí),在計(jì)算的整個(gè)光譜范圍3～12.4 μm,該紅外隱身超材料吸收器的熱輻射能力在溫度為500 K,1200 K,1800 K和2500 K時(shí),分別能降低到黑體輻射能力的40 %,29.53 %,26.46 %和25.03 %。如果可探測(cè)度下降90 %,這里可以假設(shè)一個(gè)輻射度是0.1的灰體(與黑體相比,其紅外輻射強(qiáng)度降低90 %),那么在研究的波長(zhǎng)范圍3～12.4 μm內(nèi),該超材料吸收器的熱輻射在溫度為500 K時(shí)相比灰體增加了300 %,而在5～8 μm光譜范圍內(nèi)則增加了621 %。當(dāng)溫度上升至1200 K時(shí),這兩個(gè)值分別為195 %和576 %,溫度為1800 K時(shí),熱輻射相比灰體在這兩個(gè)光譜范圍內(nèi)增加了165 %和564 %,而當(dāng)溫度升到2500 K時(shí),熱輻射增加了150 %和558 %。

4 結(jié) 論

本文利用耐高溫金屬材料鉬Mo和介質(zhì)MgF2材料設(shè)計(jì)了一種耐高溫寬帶多層MIM超材料隱身結(jié)構(gòu)。分別研究了MIM的層數(shù)為1層、3層、5層和7層結(jié)構(gòu)對(duì)紅外吸收光譜的影響,結(jié)果表明隨著堆疊層數(shù)的增加,高吸收對(duì)應(yīng)的帶寬逐漸增大,當(dāng)層數(shù)為7層時(shí),吸收帶寬達(dá)到3.1 μm,實(shí)現(xiàn)了覆蓋5～8 μm波段的寬帶高吸收,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了中紅外波段3～5 μm和遠(yuǎn)紅外波段8～14 μm的寬帶低吸收。進(jìn)一步研究了該結(jié)構(gòu)紅外吸收的角度和溫度特性,結(jié)果表明,該隱身結(jié)構(gòu)角度選擇性較好,75°范圍內(nèi)時(shí)5～8 μm和8～14 μm波段輻射特性無明顯變化；同時(shí),該隱身結(jié)構(gòu)耐高溫性能非常突出。本文提出的超材料隱身結(jié)構(gòu)具有良好的軍事應(yīng)用前景,實(shí)際應(yīng)用中一般需要大規(guī)模制備,可以通過納米壓印光刻或激光直接寫入等方法實(shí)現(xiàn)。