基于FTO/Ag/FTO構(gòu)型的高透明紅外隱身薄膜設(shè)計(jì)*

王龍 汪劉應(yīng) 劉顧 唐修檢 葛超群 王濱 許可俊 王新軍

(中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)智劍實(shí)驗(yàn)室,西安 710025)

1 引言

隨著熱紅外、可見(jiàn)光、激光、雷達(dá)等探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展與聯(lián)合應(yīng)用[1-4],單一頻段的隱身材料技術(shù)已經(jīng)在規(guī)避探測(cè)、識(shí)別與打擊領(lǐng)域顯得舉步唯艱,而多頻譜兼容隱身材料已成為勢(shì)在必行的發(fā)展趨勢(shì).然而,多頻譜兼容隱身材料設(shè)計(jì)通常存在不同頻段隱身原理沖突的技術(shù)瓶頸,譬如紅外高反射與可見(jiàn)光高透視、激光低反射等光譜響應(yīng)訴求都存在截然相反的相互制約關(guān)系.當(dāng)前紅外與可見(jiàn)光兼容隱身材料已經(jīng)成為光電隱身技術(shù)領(lǐng)域的重中之重,且主要實(shí)現(xiàn)途徑是采用著色的低紅外發(fā)射率涂料[5,6],但其發(fā)射率偏高,且色調(diào)過(guò)亮而難以融合于背景.韓超[7]將添加不同著色顏料的鋁粉印制于織物而呈現(xiàn)不同色彩,并在鋁粉含量為25%時(shí)的發(fā)射率可低至0.554.王自榮等[8]發(fā)現(xiàn)SnO2含量為5%時(shí)ITO顏色涂層在8—14 μm波段的發(fā)射率最低為0.6.

超構(gòu)材料[9-14]具有可見(jiàn)光譜-紅外輻射-微波吸透特性的選擇性調(diào)控能力,為多頻譜兼容隱身一體化設(shè)計(jì)提供了重要途徑,日漸倍受關(guān)注.Xiong等[15,16]設(shè)計(jì)了一類具備光學(xué)透明與寬帶微波吸收特性的多層超材料吸收體(multilayer metamaterial absorber,MMA),由氧化銦錫(ITO)基頻率選擇表面、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與低電阻率ITO反射層構(gòu)成的“三明治”層狀結(jié)構(gòu),其微波吸收有效帶寬可擴(kuò)展覆蓋2.64—18 GHz,并在400—800 nm可見(jiàn)光波段的平均透射率不低于50%.黎思睿等[17]基于Ge2Sb2Te5相變材料開(kāi)展了紅外隱身薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其光學(xué)性能研究,形成結(jié)構(gòu)色與紅外吸收率的動(dòng)態(tài)調(diào)控功能,從而實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光與紅外兼容隱身效果.牛帥等[18]設(shè)計(jì)了一種基于超材料的寬帶微波/紅外兼容隱身結(jié)構(gòu)器件,可在2—18.6 GHz微波吸收率高達(dá)90%且紅外發(fā)射率低于0.3.朱桓正[19]利用波長(zhǎng)選擇性吸收超表面的分層結(jié)構(gòu),通過(guò)表面ZnS減反層、Ge/ZnS光子晶體以及Cu-ITO-Cu三層結(jié)構(gòu)吸波超材料的耦合作用,實(shí)現(xiàn)在中遠(yuǎn)紅外輻射率低至0.12,微波X波段吸收率大于0.9,并且可呈現(xiàn)多種顏色的多頻譜兼容隱身性能.基于微結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性選擇調(diào)控材料研究尚停留在機(jī)理研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證階段,仍迫待尋求更多新技術(shù)途徑去破解多頻譜兼容隱身難題.

為了解決可見(jiàn)光隱身與紅外隱身對(duì)光譜響應(yīng)訴求和材料設(shè)計(jì)要求有所不同的技術(shù)難題,利用層狀薄膜構(gòu)型設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光/紅外兼容隱身已經(jīng)成為新途徑.電介質(zhì)/金屬/電介質(zhì)(dielectricmetal-dielectric,DMD)結(jié)構(gòu)[20-22]是一類人工設(shè)計(jì)的新穎薄膜材料,當(dāng)前大都局限于被應(yīng)用在光電器件的透明導(dǎo)電薄膜.通過(guò)把高反射金屬層嵌入到兩電介質(zhì)層中間時(shí),DMD結(jié)構(gòu)可抑制來(lái)自金屬層的可見(jiàn)光反射特性,達(dá)到一種選擇性透射增強(qiáng)的效果.Daeil[23]設(shè)計(jì)的TiO2/Au/TiO2在550 nm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)光學(xué)透射率達(dá)到76%.與Au相比,Ag在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有更好的光透過(guò)性.Liu等[24]制備了ZnS/Ag/ZnS膜層結(jié)構(gòu),在500 nm波長(zhǎng)處可見(jiàn)光透射率與1.7 μm波長(zhǎng)處近紅外反射率都高達(dá)90%.盡管DMD膜層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的可見(jiàn)光透射特性,但有關(guān)紅外反射特性的研究?jī)H局限在2.5 μm之前的近紅外波段,卻在熱紅外探測(cè)常用的中遠(yuǎn)紅外波段光學(xué)特性及其紅外隱身方面的研究報(bào)道十分鮮見(jiàn).為此,基于FTO/Ag/FTO三層膜堆疊DMD結(jié)構(gòu)的多重光學(xué)效應(yīng)耦合機(jī)制,提出一種新型的可見(jiàn)光高透視/紅外低輻射兼容隱身體系,可貼附于特種車輛的迷彩涂層表面實(shí)現(xiàn)紅外與可見(jiàn)光兼容隱身防護(hù),并能用于駕駛艙窗戶確保不影響視野前提下實(shí)現(xiàn)隔熱控溫與紅外隱身的效果.因此,本文所開(kāi)展的FTO/Ag/FTO構(gòu)型復(fù)合薄膜的光譜特性與紅外輻射選擇性調(diào)控機(jī)制、高透明紅外隱身薄膜設(shè)計(jì)及其性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容研究,為多頻譜兼容光學(xué)隱身材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供新思路.

2 FTO/Ag/FTO構(gòu)型復(fù)合薄膜的設(shè)計(jì)方法

2.1 膜層結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性仿真方法

In2O3基、SnO2基、ZnO基三類半導(dǎo)體薄膜的可見(jiàn)光透射性能較好,且在近紅外波段的反射性能良好,但對(duì)3—5 μm,8—14 μm中遠(yuǎn)紅外輻射抑制能力卻十分有限.Au,Ag,Cu等金屬薄膜在紅外輻射抑制作用強(qiáng),但透光性與熱穩(wěn)定性較差.因此,通過(guò)在金屬膜上下各疊加一層光學(xué)透射率高且熱穩(wěn)定好的半導(dǎo)體介質(zhì)層構(gòu)成減反射層/紅外低輻射層/干涉層的復(fù)合薄膜,形成圖1所示三層堆疊的電介質(zhì)/金屬/電介質(zhì)(DMD)結(jié)構(gòu),利用膜層材料體系設(shè)計(jì)來(lái)獲得最佳光學(xué)性能,實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光透射誘導(dǎo)、紅外輻射抑制等光學(xué)效應(yīng)協(xié)同增益作用.鑒于Ag薄膜的可見(jiàn)光波段吸收率低于5%,并具有寬域的高紅外反射率,因此遴選Ag薄膜DMD結(jié)構(gòu)的中間功能層.由于Ag膜層厚度過(guò)薄(＜10 nm)時(shí)難以生長(zhǎng)為連續(xù)薄膜形式,同時(shí)Ag膜層增大至20 nm時(shí)可見(jiàn)光波段的反射與吸收均有較大程度增強(qiáng)而影響透光性能,因此Ag膜層厚度設(shè)計(jì)在10—20 nm時(shí)最為合宜.由于FTO(摻雜氟的SnO2)具有成本低、制備簡(jiǎn)單、光學(xué)性能適宜、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此用于DMD結(jié)構(gòu)介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)納匹配而增強(qiáng)透射,并保護(hù)Ag薄膜的抗氧化作用.綜上,基于DMD構(gòu)型的FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜研發(fā)一種可見(jiàn)光高透明與紅外低輻射雙功能兼容型隱身薄膜材料,使之覆蓋于迷彩隱身結(jié)構(gòu)表面,便能達(dá)到紅外/可見(jiàn)光兼容隱身防護(hù)效能.

圖1 DMD膜層結(jié)構(gòu)Fig.1.DMD film structure.

根據(jù)薄膜光學(xué)理論,采用傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算方法分析FTO/Ag/FTO三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)特征對(duì)可見(jiàn)光透射與紅外反射光譜的影響機(jī)制.若波長(zhǎng)為λ的光波以入射角度θ0從折射率為n0的空氣層進(jìn)入FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu),在薄膜介質(zhì)層中傳輸?shù)墓獠梢暈橄滦胁ㄅc上行波的相互疊加.若dl,nl,θl分別為第l層介質(zhì)的厚度、折射率與折射角時(shí),則光波在第l層介質(zhì)中傳輸?shù)奶卣骶仃嘙l為[25]

式中,導(dǎo)納ηl為[25]

同時(shí),膜層結(jié)構(gòu)中各層的nl和θl符合Snell定律,即:

三層堆疊的DMD結(jié)構(gòu)的特征矩陣Mall為

若空氣導(dǎo)納為η0,基底導(dǎo)納為ηk+1,則入射DMD結(jié)構(gòu)表面的反射率R與透射率T分別為

2.2 雙功能兼容膜層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)FTO/Ag/FTO構(gòu)型隱身薄膜對(duì)可見(jiàn)光高透明與紅外低輻射雙功能兼容的目標(biāo)需求,構(gòu)建一個(gè)表達(dá)式(7)所示的膜層結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化函數(shù)Z,利于對(duì)其膜層結(jié)構(gòu)實(shí)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì):

式中Tvis為0.38—0.78 μm可見(jiàn)光積分透射率,可表達(dá)為[26]

其中T(λ)為膜層結(jié)構(gòu)的光譜透射率,Dλ為D65標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分布,V(λ)為人眼的視見(jiàn)系數(shù);ε(T)為3—14 μm紅外積分發(fā)射率,可表達(dá)為[26]

其中R(λ)為膜層結(jié)構(gòu)的光譜反射率,Eλ,b(λ,T)為黑體光譜發(fā)射功率,C1=3.742×108W·μm4·m-2,C2=1.439×104μm·K,溫度T取300 K.

3 FTO/Ag/FTO構(gòu)型復(fù)合薄膜光學(xué)特性的仿真分析

3.1 可見(jiàn)光透射光譜的影響機(jī)制

基于傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算方法分析FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)特征對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響規(guī)律.FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體介質(zhì)FTO薄膜厚度對(duì)380—780 nm波段可見(jiàn)光透射光譜的影響規(guī)律,如圖2所示.當(dāng)Ag薄膜與內(nèi)層FTO薄膜的厚度分別為15 nm和30 nm時(shí),外層FTO薄膜厚度對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響如圖2(a);當(dāng)外層FTO薄膜與Ag薄膜的厚度分別為30 nm和12 nm時(shí),內(nèi)層FTO薄膜厚度對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響如圖2(b).顯然,內(nèi)外兩層半導(dǎo)體介質(zhì)FTO薄膜對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響規(guī)律具有相似性.FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體介質(zhì)層厚度較薄時(shí),在可見(jiàn)光中波段的透射率相對(duì)較高,并且透射光譜曲線呈現(xiàn)為凸峰狀.隨著半導(dǎo)體介質(zhì)層厚度的增大,在中波的透射率逐漸有所降低,但在長(zhǎng)波、短波的透射率逐漸增大,且長(zhǎng)波處的透射峰值產(chǎn)生紅移,使得可見(jiàn)光透射光譜曲線趨于平整化,因此高透射頻域逐漸變寬.同時(shí),隨著FTO薄膜厚度增大,可見(jiàn)光平均透射率先不斷增大然后逐漸減小.總體而言,FTO薄膜厚度為35—40 nm時(shí)的整個(gè)可見(jiàn)光波段透光效果較佳,并與12—15 nm厚度的Ag薄膜構(gòu)成的FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)等效導(dǎo)納匹配性較好,誘導(dǎo)透射效應(yīng)較為顯著.此外,隨著FTO薄膜厚度的增大,導(dǎo)致光在膜層結(jié)構(gòu)中干涉作用的光程差增大,導(dǎo)致透射峰值趨于長(zhǎng)波方向偏移.

圖2 半導(dǎo)體介質(zhì)層對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響 (a)外層;(b)內(nèi)層Fig.2.Effect of semiconductor dielectric layer on visible transmission spectrum: (a) Outer layer;(b) inner layer.

當(dāng)內(nèi)外兩層FTO薄膜厚度均為30 nm時(shí),中間Ag薄膜厚度對(duì)FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光透射光譜的影響規(guī)律如圖3所示.Ag薄膜層對(duì)可見(jiàn)光透射的影響程度明顯大于FTO半導(dǎo)體介質(zhì)層.隨著Ag薄膜層厚度逐漸增大,可見(jiàn)光的透射峰值向短波方向藍(lán)移,且短波段透射率逐漸增大,但長(zhǎng)波段透射率卻不斷顯著降低.因此,可見(jiàn)光透射光譜曲線由“寬頻域”高透射的相對(duì)平整狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤案哳l化”高透射的凸峰狀,使得可見(jiàn)光透射頻域逐漸變窄且平均透射率逐漸變差.這是因?yàn)锳g薄膜厚度越大,對(duì)可見(jiàn)光的吸收與反射作用都會(huì)增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致透過(guò)程度減弱.同時(shí),由于Ag薄膜材料介電常數(shù)的頻散特性,導(dǎo)致可見(jiàn)光長(zhǎng)波段的透射特性惡化影響程度更顯著.

圖3 金屬層對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響Fig.3.Effect of metal layer on visible transmission spectrum.

當(dāng)FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)各層厚度為30/15/30 nm時(shí),[FTO/Ag]T/ FTO(即[DM]TD構(gòu)型)膜系結(jié)構(gòu)的周期數(shù)T對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響規(guī)律如圖4所示.隨著周期數(shù)的增大,可見(jiàn)光透射峰值向短波方向逐漸藍(lán)移,且透射光譜曲線由“寬頻域”高透射狀態(tài)向“高頻化”高透射狀態(tài)轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致可見(jiàn)光透射狀態(tài)不斷變差.尤其,當(dāng)膜系結(jié)構(gòu)周期數(shù)由1增至2時(shí),導(dǎo)致可見(jiàn)光透射狀態(tài)顯著性變差.這是因?yàn)殡S著[DM]TD構(gòu)型膜層結(jié)構(gòu)的周期數(shù)越大,相消干涉的光波越多,同時(shí)可見(jiàn)光吸收也隨介質(zhì)膜層增加而增強(qiáng),從而導(dǎo)致可見(jiàn)光透射狀態(tài)變差.

圖4 膜系結(jié)構(gòu)周期數(shù)對(duì)可見(jiàn)光透射光譜的影響Fig.4.Effect of the cycle number of film structure on visible transmission spectrum.

3.2 紅外反射光譜的影響機(jī)制

基于傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算方法分析FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)特征對(duì)紅外反射光譜的影響規(guī)律.圖5展示了中間層Ag薄膜厚度對(duì)FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)在3—14 μm中遠(yuǎn)紅外反射光譜的影響規(guī)律.紅外反射率隨著Ag薄膜厚度的增大而增大,越利于降低紅外發(fā)射率,但在Ag薄膜厚度大于18 nm后的變化幅度卻顯著變小.這是得益于Ag薄膜自身的紅外高反射特性,是抑制紅外輻射的功能層,因此其厚度越大則紅外反射作用越強(qiáng).

圖5 金屬層對(duì)紅外反射光譜的影響Fig.5.Effect of metal layer on infrared reflection spectrum.

半導(dǎo)體介質(zhì)層FTO薄膜厚度對(duì)FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)紅外反射光譜的影響規(guī)律如圖6所示.盡管紅外反射率隨著FTO薄膜厚度的增大而稍微略有增大,但其變化程度幾乎可以忽略不計(jì).FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率主要取決于中間的Ag薄膜層,而FTO薄膜對(duì)中遠(yuǎn)紅外反射率的作用較弱,因此在恒定厚度的Ag薄膜時(shí)的紅外輻射抑制功能不會(huì)發(fā)生顯著性變化.

圖6 半導(dǎo)體介質(zhì)層對(duì)紅外反射光譜的影響 (a)外層;(b)內(nèi)層Fig.6.Effect of semiconductor dielectric layer on infrared reflection spectrum: (a) Outer layer;(b) inner layer.

[FTO/Ag]T/ FTO(即[DM]TD構(gòu)型)膜系結(jié)構(gòu)的周期數(shù)T對(duì)紅外反射光譜的影響規(guī)律如圖7所示.隨著周期數(shù)由1個(gè)增至2個(gè)時(shí),紅外反射率最初有大幅度增加,并在3—14 μm全波段均達(dá)到＞95%高反射狀態(tài),利于降低膜系結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率.然而,之后隨著周期數(shù)的增加,對(duì)紅外反射率的影響已經(jīng)十分微弱.這是因?yàn)殡S著周期數(shù)的增大,導(dǎo)致Ag薄膜的層數(shù)增多,使得紅外反射效果越好.同時(shí),當(dāng)Ag薄膜的層數(shù)為2時(shí)反射率已接近1,使得反射率增長(zhǎng)幅度變小.鑒于膜系結(jié)構(gòu)的周期數(shù)增長(zhǎng)至2時(shí)可見(jiàn)光透射急劇變差而不適合高透光功能需求,但在周期數(shù)為1時(shí)卻能兼顧可見(jiàn)光高透明與紅外低輻射的雙功能需求,因此遴選膜層結(jié)構(gòu)為單層Ag薄膜的FTO/Ag/FTO構(gòu)型最合宜.

圖7 膜系結(jié)構(gòu)周期數(shù)對(duì)紅外反射光譜的影響Fig.7.Effect of the cycle number of film structure on infrared reflection spectrum.

3.3 高透明紅外隱身薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用最速下降法以性能優(yōu)化函數(shù)Z進(jìn)行膜層結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算,最終獲得優(yōu)化后的FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)各層的厚度為40/12/40 nm,且其可見(jiàn)光透射與紅外反射的光譜特性如圖8所示.該膜層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出寬域的可見(jiàn)光高透射與紅外高反射特征.在理論計(jì)算層面,可實(shí)現(xiàn)380—780 nm波段可見(jiàn)光平均透射率為93.31%,且3—14 μm波段紅外平均反射率為85.39%,滿足高透明紅外低輻射隱身的需求.

圖8 優(yōu)化后FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)的光譜特性 (a)可見(jiàn)光透射;(b)紅外反射Fig.8.Spectral characteristics of optimized FTO/Ag/FTO film structure: (a) Visible light transmission;(b) infrared reflection.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于磁控濺射技術(shù)存在蒸鍍速率較快、基片熱效應(yīng)較弱、鍍膜材料選擇范圍較廣等優(yōu)勢(shì),采用Kurt J.Lesker LAB18型號(hào)磁控濺射儀器在石英片基底上鍍制結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的FTO/Ag/FTO (各層厚度40/12/40 nm)薄膜樣件.采用島津SOLID3700型號(hào)紫外-可見(jiàn)光-近紅外分光光度計(jì)測(cè)量樣件0.38—0.78 μm可見(jiàn)光透射光譜.首先設(shè)置波長(zhǎng)范圍為可見(jiàn)光波段,采樣間隔為1 nm,并設(shè)置積分球附件狹縫寬為20 nm,采用雙光束模式和標(biāo)準(zhǔn)S/R轉(zhuǎn)換,之后利用BaSO4標(biāo)準(zhǔn)白板測(cè)量基線,并以空氣的透射率為100%,再將待測(cè)樣品固定在樣品臺(tái)上測(cè)試其透射率.采用Bruker 80型號(hào)傅里葉紅外光譜儀測(cè)量樣件在3—14 μm中遠(yuǎn)紅外反射光譜.首先設(shè)置分辨率4 cm-1,掃描速率2.5 kHz,光闌設(shè)置6 mm,采用RT-DLaTGS檢測(cè)器和KBr分束器,之后積分球采用標(biāo)準(zhǔn)金基底進(jìn)行基線掃描,最后再將樣品固定在樣品上進(jìn)行測(cè)量其紅外反射光譜.此外,為了驗(yàn)證FTO/Ag/FTO薄膜樣件在不同溫度環(huán)境下的紅外隱身特性,利用加熱平臺(tái)從室溫加熱至50,90,110,130,150 ℃等環(huán)境溫度下拍攝樣件的3—5 μm和8—14 μm熱像圖.

圖9展示了FTO/Ag/FTO薄膜樣件的宏觀透光效果及其光譜特性.該實(shí)物具備高透明的視覺(jué)效果,如圖9(a),完全可以將背景無(wú)色差的體現(xiàn)出來(lái),即能貼附于裝備的迷彩隱身結(jié)構(gòu)表面而與可見(jiàn)光隱身兼容,也能用于裝備駕駛窗戶而不影響人員視野.可見(jiàn)光透射光譜如圖9(b)所示,在0.38—0.78 μm可見(jiàn)光波段的透射率大都高于80%,且平均透射率為82.52%,能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光全波段的寬域高透射效果,能確保背景色澤能被透視準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)到薄膜樣件另一側(cè)端.紅外反射光譜如圖9(c)所示,在3—14 μm的中遠(yuǎn)紅外反射率大都高于80%,且其平均反射率為81.46%,具備寬域紅外高反射特征,能確保較低的紅外發(fā)射率,從而實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外隱身功能.綜上,盡管受限于鍍膜制備誤差、仿真折射率及其頻散特性偏差、基底光學(xué)屬性的綜合影響,導(dǎo)致實(shí)物樣件的光學(xué)特性與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果存在一定程度的偏差,但該實(shí)物樣件依舊能保證可見(jiàn)光高透射、紅外高反射的雙功能兼容隱身目標(biāo)需求,充分驗(yàn)證了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可靠性與有效性.

圖9 樣件的光學(xué)特性 (a)實(shí)物透光效果;(b)可見(jiàn)光透射光譜;(c)紅外反射光譜Fig.9.Optical characteristics of sample: (a) Physical transparency effect;(b) visible transmission spectrum;(c) infrared reflectance spectrum.

在不同環(huán)境溫度下FTO/Ag/FTO薄膜樣件的3—5 μm和8—14 μm熱像圖分別如圖10和圖11所示,并得到樣件表面平均熱輻射溫度的變化如圖12所示.其中,采用石英片基底作為FTO/Ag/FTO薄膜樣件的對(duì)照組.可見(jiàn),在最初的室溫狀態(tài)下,樣件和石英片在3—5 μm和8—14 μm波段的輻射溫度基本一致.然而,樣件與石英片之間的溫差隨著溫度升高而逐步增大,因此樣件越加表現(xiàn)出優(yōu)異的紅外低輻射隱身特性.同時(shí),由于熱輻射波長(zhǎng)隨著溫度的增大會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象,從而導(dǎo)致3—5 μm和8—14 μm兩個(gè)紅外波段之間的輻射溫度差也逐漸增大.到150 ℃時(shí),3—5 μm波段的樣件輻射溫度為91 ℃,比石英片的輻射溫度低49 ℃;而8—14 μm波段的樣件輻射溫度為63.8 ℃,比石英片的輻射溫度低75.8 ℃.因此樣件的遠(yuǎn)紅外隱身效果更佳.綜上,FTO/Ag/FTO薄膜樣件具備較好的高溫紅外熱輻射抑制能力,在3—5 μm中紅外與8—14 μm遠(yuǎn)紅外均具備較好的隱身特性.

圖10 FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜在不同環(huán)境溫度下的3—5 μm中紅外熱像圖 (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃Fig.10.3-5 μm mid-infrared thermal image of FTO/Ag/FTO composite films at different environmental temperatures: (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃.

圖11 FTO/Ag/FTO復(fù)合薄膜在不同環(huán)境溫度下的8—14 μm遠(yuǎn)紅外熱像圖 (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃Fig.11.8-14 μm far-infrared thermal image of FTO/Ag/FTO composite films at different environmental temperatures: (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃.

圖12 樣件在中遠(yuǎn)紅外的輻射溫度變化Fig.12.Radiation temperature changes of the sample in the mid-far infrared band.

5 結(jié)論

基于FTO/Ag/FTO三層堆疊結(jié)構(gòu)有效協(xié)同可見(jiàn)光透射誘導(dǎo)、紅外輻射抑制等光學(xué)效應(yīng),提出了一種可見(jiàn)光高透射與紅外高反射雙功能兼容的新型隱身薄膜.首先,建立了DMD構(gòu)型高透明紅外隱身復(fù)合薄膜仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法,分析了FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)特征對(duì)可見(jiàn)光透射與紅外反射的影響機(jī)制.可見(jiàn)光透射取決于半導(dǎo)體介質(zhì)層與金屬層耦合匹配作用,而紅外輻射抑制主要取決于金屬層.此外,隨著[FTO/Ag]T/ FTO膜系結(jié)構(gòu)的周期數(shù)增大,雖利于紅外反射增強(qiáng),但可見(jiàn)光透射顯著性變差.繼而,以高透明與紅外隱身雙功能兼容目標(biāo)需求為牽引,經(jīng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)后的FTO/Ag/FTO膜層結(jié)構(gòu)各層厚度為40/12/40 nm.最后,從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性.FTO/Ag/FTO薄膜樣件具備全波段可見(jiàn)光高透射且寬域紅外高反射特征,即能確保背景色澤被透視復(fù)現(xiàn),還能確保高溫紅外低輻射能力,利于實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光與紅外兼容隱身功能.