基于光子晶體的紅外隱身技術(shù)發(fā)展

金 斌,孫海文

(海軍研究院,北京 102442)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中各型武器運(yùn)動(dòng)速度的不斷提升,相應(yīng)的紅外特性越發(fā)明顯。與此同時(shí),先進(jìn)新型半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展,推動(dòng)著紅外探測設(shè)備的性能得到加強(qiáng),極大地提高了對強(qiáng)紅外特性武器的預(yù)警探測能力。因此,紅外隱身技術(shù)已成為提高現(xiàn)代戰(zhàn)場作戰(zhàn)單位生存能力和作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵,相關(guān)發(fā)展需求日益迫切。紅外隱身材料的使用在現(xiàn)代軍事運(yùn)用中發(fā)揮著重要作用。

1987年,E.Yablonovitche[1]和S.John[2]同時(shí)提出了光子晶體的概念。由于光子晶體能夠引導(dǎo)光子傳輸,從而具備優(yōu)異的紅外隱身性能。當(dāng)前,世界各國掀起了用光子晶體對特定頻率波段的光子進(jìn)行調(diào)制的研究熱潮,試圖設(shè)計(jì)出符合光譜要求的光子晶體材料,以滿足多波段兼容隱身的需要。本文梳理了國外光子晶體紅外隱身發(fā)展概況,總結(jié)了其紅外隱身技術(shù)的特點(diǎn),介紹了光子晶體兼容隱身技術(shù)的研究進(jìn)展,在此基礎(chǔ)上,對未來光子晶體紅外隱身技術(shù)在軍事上應(yīng)用進(jìn)行了思考,預(yù)測了發(fā)展方向。

1 國外光子晶體紅外隱身材料發(fā)展概況

近年來,隨著對光子晶體的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的探索逐步深化,為了更好地利用光子晶體實(shí)現(xiàn)紅外隱身,國內(nèi)外研究主要集中在控制光子晶體的帶隙、多波段兼容的提高以及三維光子晶體結(jié)構(gòu)等方面。光子晶體知識圖譜如圖1所示。

圖1 光子晶體知識圖譜Fig.1 Photonic crystal knowledge map

決定光子晶體帶隙寬度的因素包括幾何形貌、空間結(jié)構(gòu)分布和介電常數(shù)比值。在隱身方面,一維光子晶體制備簡單且技術(shù)成熟,但電磁波的調(diào)制范圍有限。1997年,Djuric等通過將6個(gè)Si/SiO2結(jié)構(gòu)周期性排列,構(gòu)造了在3.5～4.5 μm紅外波段輻射透過率接近于零的光子晶體[3]。Temelkuran等在2001年,借助聚乙烯實(shí)現(xiàn)了能在4.5～5.5 μm和8～12 μm大氣窗口波段全反射任意偏振態(tài)入射光的一維光子晶體[4]。2004年,Drupp等以鋁和聚酰亞胺為基底,實(shí)現(xiàn)了在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段具有優(yōu)異禁帶效果的雙波段光子晶體[5]。2018年,Kang等利用電介質(zhì)氯化銫和石墨烯與一般有耗介質(zhì)結(jié)合制備了一維光子晶體[6],試驗(yàn)表明所制備的一維光子晶體在中紅外頻率范圍內(nèi)具有較大的帶寬和吸收率(90%)。該項(xiàng)研究對未來紅外隱身材料和寬帶光電探測器的設(shè)計(jì)具有重要意義。

隨著維度的增加,光子晶體性能越發(fā)優(yōu)異,與此同時(shí),其制備工藝也越發(fā)復(fù)雜。20世紀(jì)末,Rowson等用硅材料研制了二維光子晶體,其具有優(yōu)異的紅外波段隱身效果[7]。21世紀(jì)初,Kuriki等利用聚醚砜樹脂(PES)和三硒化二砷(As2Se3),通過氣相沉積法,研制出了二維光子晶體[8]。

雖說一維、二維光子晶體的研究與制備相對簡單,三維光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易制造,但由于其可實(shí)現(xiàn)對于任意方向入射的電磁波的理想調(diào)制,三維光子晶體才是未來紅外隱身材料的核心研究對象。1998年,Lin等利用激光刻蝕技術(shù)制備了三維光子晶體,可使多個(gè)角度射入的光的反射率均達(dá)到90%[9]。2005年,Enoch等利用氣相沉積法和激光刻蝕法將金(Au)、硒化鋅(ZnSe)制作成層狀支撐柵欄片結(jié)構(gòu),在7～12 μm實(shí)現(xiàn)了良好的抑制輻射效果[10]。2015年,Chernow等制備了三維光子晶體,其可在近、中紅外波段進(jìn)行調(diào)節(jié)[11]。隨著光子晶體技術(shù)不斷進(jìn)步和廣泛運(yùn)用,其正在改變戰(zhàn)場上的攻防對抗和作戰(zhàn)行動(dòng)樣式。

2 光子晶體紅外隱身技術(shù)的特點(diǎn)

光子晶體材料能解決傳統(tǒng)材料難以解決的激光、紅外兼容隱身問題,且具備良好的雷達(dá)透波性能,可為多波段兼容隱身材料技術(shù)和裝備的發(fā)展提供良好支撐。

帶隙和缺陷特征使光子晶體具有獨(dú)特的熱輻射和光波調(diào)控能力,相比傳統(tǒng)隱身材料,基于光子晶體的多波段隱身薄膜的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:

1)解決了高溫目標(biāo)隱身困難的問題。利用光子晶體的禁帶特性可以在特定波段上實(shí)現(xiàn)需要的低發(fā)射率,比傳統(tǒng)隱身材料的發(fā)射率要低很多,從而能滿足高溫目標(biāo)熱紅外(3～5 μm和8～14 μm波段)隱身的要求,如圖2所示。

圖2 理想隱身材料的反射光譜圖Fig.2 Reflection Spectrum of Ideal Stealth Material

2)解決了傳統(tǒng)紅外隱身材料與激光隱身材料以及雷達(dá)隱身材料難以兼容的問題。

①開辟了熱紅外與激光兼容隱身新途徑。利用光子晶體的光子局域特性,在光子晶體材料的帶隙內(nèi)引入一個(gè)極窄能帶,在保證整個(gè)帶隙內(nèi)高反射率的同時(shí),可以在某個(gè)波長上出現(xiàn)相反的低反射率,恰好可以實(shí)現(xiàn)激光隱身與熱紅外隱身兼容。

②解決了紅外和雷達(dá)波兼容隱身的矛盾。光子晶體隱身材料可以不采用金屬,因而對微波是透明的,如果將其覆蓋在雷達(dá)隱身材料的表面,并不影響后者的性能。這個(gè)特點(diǎn)還使得光子晶體隱身材料適用于需要透射雷達(dá)波的特殊部位,如雷達(dá)天線罩等。

3)在實(shí)現(xiàn)紅外隱身的同時(shí)解決了熱目標(biāo)的散熱問題。光子晶體隱身材料只在兩個(gè)大氣窗口具備低發(fā)射率,而在大氣窗口之外,其發(fā)射率較高,目標(biāo)的熱量可以透過大氣窗口以外的波段照常散發(fā),從而避免了熱目標(biāo)的熱量積累問題。

3 光子晶體兼容隱身技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著探測技術(shù)的日益發(fā)展,激光、雷達(dá)、近紅外線、可見光等探測設(shè)備性能日益完善,多樣性的探測手段使得打擊武器在戰(zhàn)場上更容易被探測發(fā)現(xiàn),這使得單一頻段的隱身材料無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的實(shí)際需求。為躲避各種探測設(shè)備的偵測,研制具有全方位、多波段兼容的隱身材料成為目前在隱身技術(shù)研發(fā)方面的焦點(diǎn),如圖3所示。很多西方發(fā)達(dá)國家在多頻段兼容隱身材料的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,其新型隱身涂層技術(shù)可以使目標(biāo)被可見光、近紅外、遠(yuǎn)紅外和雷達(dá)探測設(shè)備識別的概率大大降低。例如,德國開發(fā)的半導(dǎo)體隱身材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對可見光、熱紅外、微波和毫米波的多頻段隱身[12];加拿大開發(fā)出的一種系統(tǒng)能夠?qū)梢姽狻⒓t外線和雷達(dá)的三種頻段進(jìn)行兼容隱身[13]。對比西方國家,我國在紅外與其他隱身兼容技術(shù)方面的研究起步晚,所面臨的挑戰(zhàn)大。

圖3 光子晶體隱身技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.3 Development trend of photonic crystal stealth technology

目前,在武器裝備上只采用了傳統(tǒng)的單波段隱身材料相組合的方法很難實(shí)現(xiàn)可見光、雷達(dá)、紅外、激光兼容隱身的問題。開發(fā)和研究新型材料,比如光子晶體、超材料等是當(dāng)前發(fā)展方向。由于光子晶體具有良好的選擇性多波段紅外隱身性能,世界各國高度重視該材料的研究和應(yīng)用。

3.1 紅外多波段隱身

由輻射定律可知,降低紅外輻射度的主要方式有二種:一種是降低目標(biāo)表面的發(fā)射率(即提高紅外反射率);另一種是控制目標(biāo)的表面溫度,通過降低物體表面溫度,來減弱物體被紅外探測器發(fā)現(xiàn)的概率。對于低溫背景而言,目標(biāo)的材料發(fā)射率越低,其在紅外波段隱身的效果就越強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)多波段紅外隱身能力是當(dāng)前紅外隱身技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向之一。光子晶體材料利用禁帶特性可以在特定波段上實(shí)現(xiàn)需要的低發(fā)射率,比傳統(tǒng)隱身材料的發(fā)射率低很多,能滿足高溫目標(biāo)熱紅外(3～5 μm和8～14 μm波段)隱身的要求。

20世紀(jì)末,美國麻省理工學(xué)院的Fink等研究制備出了由聚苯乙烯和碲交替而成的一維光子晶體[14],該結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得到不同波段的光子禁帶,開創(chuàng)了紅外多波段隱身技術(shù)研究的先河。21世紀(jì)初,美國加州Sandia實(shí)驗(yàn)室的Lin等成功設(shè)計(jì)出了一種三維硅材料的光子晶體薄膜[15],這項(xiàng)研究的試驗(yàn)結(jié)果表明,這種覆膜材料能夠強(qiáng)化5～9 μm波段的輻射,并抑制10～16 μm頻段的輻射。與此同時(shí),加拿大多倫多大學(xué)的Blanco等以二氧化硅蛋白構(gòu)成的光子晶體為基礎(chǔ)[16],設(shè)計(jì)了一種全新的具有近、遠(yuǎn)紅外雙波段全光子禁帶的三維硅反蛋白石光子晶體,實(shí)現(xiàn)了紅外隱身技術(shù)從單波段到雙波段的突破。2001年,麻省理工學(xué)院Fink團(tuán)隊(duì)的Temelkuran等再次在一維光子晶體紅外兼容隱身方面取得突破,實(shí)現(xiàn)了中紅外波段的全向反射[17],該反光板對4.5～5.5 μm波段和8～12 μm波段內(nèi)的任何偏振調(diào)制態(tài)的電磁波均能產(chǎn)生全向反射。2006年,美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Alive等制造出了一種反蛋白光子晶體[18],這是一種可以在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段兼容隱身的材料,該材料是一種硫系玻璃,其光子禁帶可以被調(diào)諧到3～5 μm和8～14 μm的紅外大氣透明窗口區(qū)域。隨著光子晶體設(shè)計(jì)的逐步完善,光子晶體在紅外隱身方面的應(yīng)用前景非常廣泛。

3.2 雷達(dá)-紅外兼容隱身

雷達(dá)隱身材料要求能夠?qū)走_(dá)波具有高吸收、低反射的能力,而紅外隱身材料則要求具有對紅外線的低吸收、高反射率特性[19],因此,雷達(dá)隱身和紅外隱身對于材料性質(zhì)的要求是完全相反的,很少有材料能夠同時(shí)滿足以上要求,這也是雷達(dá)和紅外兼容隱身技術(shù)的困難所在。早在20世紀(jì)80年代,利用摻雜金屬氧化物的半導(dǎo)體材料,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)-紅外的兼容隱身[20],但是,含有金屬的半導(dǎo)體材料對雷達(dá)波具有一定的反射,不利于雷達(dá)隱身的效果,因此,采用這種方法無法實(shí)現(xiàn)高性能的雷達(dá)-紅外隱身材料。

光子晶體因其特有的晶體結(jié)構(gòu),能夠?qū)t外波段實(shí)現(xiàn)選擇性低吸收,而對雷達(dá)波材料可實(shí)現(xiàn)高透射性,所以可為雷達(dá)-紅外兼容隱身提供新的研究思路。2014年,華中科技大學(xué)研制出將鍺和硫化鋅交替的一維雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體材料[21],結(jié)果表明,該材料在3～5 μm和8～14 μm的波長范圍內(nèi)均可達(dá)到大于0.99的高反射率,并具有很高的雷達(dá)波段透射率,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)-紅外兼容隱身。2017年,合肥脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張繼魁等制備了一種鍺、硒化鋅和硅摻雜結(jié)構(gòu)一維光子晶體[22],基本實(shí)現(xiàn)了紅外、激光、雷達(dá)這三個(gè)波段的兼容隱身。

可見,在利用光子晶體的紅外低輻射的特性進(jìn)行紅外隱身的同時(shí), 還能夠利用它對雷達(dá)信號的高透射,使之與微波吸收材料相融合,從而達(dá)到雷達(dá)-紅外兼容隱身的目的。與激光-紅外光子晶體兼容隱身技術(shù)類似,目前的雷達(dá)-紅外光子晶體兼容隱身技術(shù)也主要集中在一維光子晶體層面,該技術(shù)今后還需要向二、三維光子晶體方面發(fā)展。

3.3 可見光-紅外兼容隱身

在戰(zhàn)爭中,偽裝、隱蔽、埋伏等作戰(zhàn)手段時(shí)常運(yùn)用,指揮員根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境和武器裝備特點(diǎn),實(shí)施晝夜偽裝隱蔽,這就需要可見光-紅外兼容隱身能力。由于光子晶體具備優(yōu)異的紅外隱身性能,為可見光-紅外兼容隱身提供了新的技術(shù)途徑,如圖4所示。

圖4 可見光-紅外兼容隱身Fig.4 Visible infrared compatible stealth

2016年,合肥脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張繼魁等成功設(shè)計(jì)和制造了多種不同發(fā)射率的光子晶體迷彩[23],并將其覆蓋到仿真目標(biāo)上,利用8～14 μm的熱像儀觀測目標(biāo)和背景,并記錄了不同時(shí)間點(diǎn)的平均輻射溫度數(shù)值,從而利用平均輻射溫度測算目標(biāo)在此背景下的隱身效果。結(jié)果顯示,該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可見光-紅外兼容隱身。同年,華中科技大學(xué)Qi等從理論上提出了基于ZnS/Ge一維光子晶體的可用于紅外和可見光的兼容隱身的材料,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[24]。由于等傾干涉,該一維光子晶體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的響應(yīng)波長呈現(xiàn)一定的顏色。此外,在3～5 μm的紅外大氣窗口下,該結(jié)構(gòu)的平均發(fā)射率可低至0.054。該研究表明,一維光子晶體實(shí)現(xiàn)紅外可見兼容隱形是可行的,推進(jìn)了隱身材料的多功能化發(fā)展。

4 未來光子晶體紅外隱身技術(shù)發(fā)展啟示

光子晶體理論已提出30多年,但其實(shí)際應(yīng)用較少,尚未解決低成本大規(guī)模生產(chǎn)問題,因此,目前國際上還尚未真正把這一隱身技術(shù)運(yùn)用到對于可靠性要求極高的軍事領(lǐng)域。相比較而言,傳統(tǒng)紅外隱身手段和材料應(yīng)用較為廣泛。

伴隨現(xiàn)代探測技術(shù)的不斷發(fā)展和精確制導(dǎo)武器的使用,探測設(shè)備在物理原理以及探測精度上都有了很大的提升,獲取情報(bào)的方式也呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢,配合現(xiàn)代化武器,一旦探測到了目標(biāo)即可實(shí)施精確打擊,完成“探測即摧毀”的任務(wù)。目前,實(shí)現(xiàn)精確打擊采用的最精準(zhǔn)和抗干擾力強(qiáng)的制導(dǎo)方式之一為“紅外制導(dǎo)”。在實(shí)際應(yīng)用中,隱身材料將面臨多重挑戰(zhàn),未來光子晶體紅外隱身材料的發(fā)展將集中于以下幾個(gè)方面。

1)多波段兼容隱身

光子晶體在可見光/紅外、雷達(dá)/紅外、激光/紅外兼容隱身方面取得諸多進(jìn)展,但相關(guān)研究還局限于實(shí)驗(yàn)階段,且只是對兩兩之間展開討論,并未真正實(shí)現(xiàn)“多波段”同時(shí)作用。由于光子晶體具備選擇性光子傳播,光子晶體最大的特點(diǎn)之一是可以根據(jù)實(shí)際隱身能力需求,定制多波段復(fù)合隱身功能。

2)隱身材料的智能化、全方位適用性

在實(shí)際應(yīng)用中,由于溫度、濕度、太陽光強(qiáng)度等環(huán)境因素將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,物體與環(huán)境之間的紅外輻射強(qiáng)度差異也會發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,因此,紅外隱身材料具有自適應(yīng)功能是非常必要的。常規(guī)的變溫和變發(fā)射型紅外隱身技術(shù)無法達(dá)到理想的自適應(yīng)效果。如果將變發(fā)射率材料和光子晶體相結(jié)合,就可能獲得靈敏度高,調(diào)制范圍大的變發(fā)射率自適應(yīng)紅外隱身材料。

3)隔熱、控溫與隱身等多種功能相結(jié)合

考慮近年來航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要,無論是飛機(jī)、導(dǎo)彈,還是火箭,在飛行過程中都需要承受更多的高溫和熱沖擊。不同于用于地面車輛的隱身材料,應(yīng)用于這類高速飛行的物體的隱身材料必須具有優(yōu)異的隔熱耐高溫性能以防止其燒毀。因此,將隔熱、控溫與隱身相結(jié)合是紅外隱身材料的研究趨勢之一。

4)低成本

光子晶體選擇性波段隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本較高,尚處在實(shí)驗(yàn)室少量制備中,在大規(guī)模、大面積、低成本光子晶體制備上還存在不足。光子晶體隱身技術(shù)的制備工藝需進(jìn)一步完善,以實(shí)現(xiàn)相關(guān)研究成果在未來軍事領(lǐng)域的大批量生產(chǎn),并提高其生產(chǎn)和使用的可靠性。

5)多物理場隱身

在單一雷達(dá)基站的情況下,只要讓散射波盡可能少地被探測器接收或者完美繞過被探測物體,就可以實(shí)現(xiàn)隱身效果?，F(xiàn)實(shí)世界是多物理場綜合作用的世界,為了對抗隱身技術(shù),現(xiàn)代探測技術(shù)不僅以多波段的方式得到了較快的發(fā)展,還會通過多物理場手段進(jìn)行探測。除了電磁波段外,還有水波、聲波等機(jī)械波,物體所處的背景往往是非常復(fù)雜的,因此,單一物理場的隱身技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需求,現(xiàn)代隱身技術(shù)應(yīng)當(dāng)追求在非常復(fù)雜的物理場情況下隱藏目標(biāo)。對現(xiàn)代戰(zhàn)爭而言,開發(fā)具有多種功能的新型兼容隱身材料,就具有重要的戰(zhàn)略意義,這也是“隱身”這一大課題的發(fā)展趨勢之一。

5 結(jié)束語

光子晶體概念的提出至今不過30年。考慮其優(yōu)異的物理特性,通過與其他隱身策略的協(xié)同工作,光子晶體必將在未來武器裝備隱身領(lǐng)域大放異彩。因此,在當(dāng)今鼓勵(lì)多學(xué)科交叉研究的背景下,研究人員應(yīng)嘗試將光子晶體薄膜、熱隱身超材料、迷彩涂料等多種隱身材料合理排布組合,從而形成復(fù)合型隱身材料。此外,用于制作光子晶體的材料也應(yīng)不拘一格、大膽創(chuàng)新,在低成本的基礎(chǔ)上,向選擇性多波段兼容隱身的研發(fā)制備方向邁進(jìn)。