可见光、远红外与激光兼容隐身光子晶体薄膜

王 航， 赵大鹏， 张继魁， 王成名， 陈宗胜， 刘瑞煌， 时家明*

(1. 国防科技大学电子对抗学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037；2. 中国科学技术大学 合肥微尺度物质科学国家研究中心, 安徽 合肥 230036)

1 引 言

随着各种探测技术不断发展，重要军事目标被发现的概率越来越大，这对其生存构成了威胁。常用探测器的工作波段包括可见光、红外和激光，并且开始朝着多波段复合探测的方向发展。因此对抗单一波段的隐身技术已经难以满足实际需求，需要进一步研究多波段兼容隐身材料。

光子晶体是由高低折射率介质周期性排列形成的新型结构材料，相对于传统材料，在多波段兼容隐身方面具有独特的优势，这种优势源于它的“光子禁带“和“光子局域”[1-2]。“光子禁带”是指一段频谱范围，光子晶体对频率处于其中的电磁波具有高反射率的特性。如果对光子晶体的周期性结构引入缺陷，会使光子带隙中出现一个频率极窄的透射尖峰(即“光子局域”)，频率位于尖峰范围内的电磁波可以在晶体中传播。目前，国内外对可见光、远红外和双激光(1.06 μm、10.6 μm)兼容隐身光子晶体研究较少[3-5]，因此有必要对上述波段兼容的隐身材料展开研究。

本文利用光子晶体的“光子禁带”特性来实现远红外隐身，利用光子晶体的“光子局域”特性来实现10.6 μm激光的隐身，并且“光子局域”可以达到拓展远红外光子禁带宽度的目的。在该结构基础上，通过叠加具有特征光谱的准周期结构，可以实现可见光与1.06 μm激光的兼容隐身。从而为可见光、远红外和双激光(1.06 μm、10.6 μm)兼容隐身的实现提供了新的途径。

2 理论分析

本文选择传输矩阵法(Transfer matrix method,TMM)计算有限厚度光子晶体结构的反射光谱曲线[6-7]。相比于复杂的平面波展开法(Plane wave expansion,PWE)，传输矩阵法计算量小、精确度高，尤其在改变光子晶体的掺杂方式时，计算十分方便。

根据麦克斯韦电磁理论，将电磁波在一维光子晶体中的传播特性等效为在多个单层中传播的叠加，利用边界条件，可以用一个二维矩阵表示每个单层两边的场强关系：

(1)

其中E和H均指电场或磁场的切向分量，不再指明下标。

对于多层光子晶体，逐层应用公式(1)的单介层传输方程，可以得到

(2)

其中第j层的位相厚度

(3)

第j层的导纳

ηj=nj/cosθj， for p-polarisation,

(4)

ηj=njcosθj， for s-polarisation,

(5)

式中nj和dj分别为第j层的折射率及物理厚度。可以求得反射系数为

(6)

反射率为

R=r·r*,

(7)

透射系数为

(8)

透射率为

T=t·t*，

(9)

其中η0是入射介质的导纳，r*和t*代表共轭。

利用计算机编程可以求出传输矩阵中的4个单元A、B、C、D，然后利用公式(6)～(9)，即可求出一维光子晶体或多层非规整薄膜结构的反射和透射光谱曲线。

在此基础上，在折射率为ng的基底上连续镀制折射率为nH和nL的高低折射率材料，并使介质膜系两边最外层均为高折射率层，每层物理厚度均为λ0/4，得到形如Sub|(HL)sH|Air的结构。运用传输矩阵理论进行计算，在带宽为2Δg的区域内得到高反射率，当光线垂直入射时，在中心波长λ0处反射率R具有极大值：

(10)

(11)

可以看出，nH/nL的值越大，或层数s越多，则反射率峰值越高，高反射带越宽。但考虑膜系中材料的吸收和散射损耗时，将限制膜系的最大层数s。这为光子晶体薄膜的最优结构设计提供了理论基础[8-10]。

3 结构设计

为了实现可见光、远红外与双激光兼容隐身，本文将掺杂光子晶体与准周期膜系叠加，结构如图1所示。首先在基底材料上镀制掺杂光子晶体(结构1)，然后将经过优化设计的准周期膜系(结构2)覆盖在结构1表面，从而得到新的结构。确定整体结构后，下文分别对两个组分进行具体设计优化。

图1 光子晶体薄膜结构示意图

3.1 结构1的设计

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律，在目标表面涂覆红外高反射率层可以降低表面发射率，从而有效抑制目标的热辐射。而对于10.6 μm激光隐身而言，则需要低反射率隐身材料来降低激光回波功率。传统的涂料难以实现两者的兼容，而光子晶体材料可以很好地解决这一矛盾[11-12]。

综合考虑材料的透光区、折射率、吸收散射性能、化学与机械稳定性等因素后,选择红外材料A(Ge，波长10 μm处折射率为4.0)作为光子晶体高折射率组分，红外材料B(ZnSe，波长10 μm处折射率为2.42)作为光子晶体低折射率组分。中心波长λ0为10 μm，光从空气介质中垂直入射到晶体表面，合理设置周期数s后，得到本征结构Sub|(AB)5A|Air, A和B的物理厚度分别为625 nm和1 136 nm。计算得到远红外反射光谱曲线如图2中虚线所示，禁带基本覆盖8～12 μm。根据光子晶体掺杂理论，通过改变距离基底第6层介质的厚度来引入杂质态，得到掺杂结构Sub|(AB)2AB1(AB)2A|Air,其中B1的物理厚度为2 566 nm，此时的缺陷态反射值较低，带宽较窄，品质因子高。计算得到远红外辐射在掺杂光子晶体中的传输特性如图2中实线所示。可以看出，相对于本征光子晶体，掺杂光子晶体的带隙明显拓宽，已基本覆盖8～14 μm，在该波段内平均反射率高达95.61%，理论上具有较好的远红外隐身性能。此外，反射光谱中10.6 μm处形成一个明显的杂质态，10.6 μm处反射值为2.81%，可以减弱10.6 μm激光的反射功率。由此可知，该掺杂光子晶体可以很好地实现远红外与10.6 μm激光兼容隐身[13-15]。

图2 8～14 μm理论反射光谱

3.2 结构2的设计

经过计算后发现，在掺杂光子晶体薄膜的表层继续覆盖多层红外材料后，对结构1的光子带隙影响较小，从而可以通过改变结构1的膜厚来调控可见光及近红外波段反射率曲线，使薄膜具备一定颜色。同时在1.06 μm激光处具有低反射率，从而实现可见光与1.06 μm激光兼容隐身。本文选择常见红外材料B和材料C(MgF2，500 nm处折射率为1.38)组成4层准周期膜系来实现隐身要求。以3种准周期膜系为代表，结构参数记录在表1中，可以看出，膜系已经具备明显的颜色特征。通过计算得到3种结构的CIE 1931色度坐标，如图3中黑色小点所示，可以确定一种颜色[15-18]。

图4为计算得到的380～1 100 nm波段内反射光谱曲线，可以看出，3种光谱在可见光波段具有明显的特征峰，代表一定的颜色特征。理论上用准周期膜系可以得到大多数用于可见光伪装的颜色。此外，分析反射光谱可知，膜系1、2和3在波长1.06 μm处的反射率分别为4.1%、1.3%和5.7%，理论上可以大幅度减少1.06 μm激光的回波功率，达到对1.06 μm激光隐身的目的。

表1 结构2参数和对应颜色

图3 3种颜色在CIE 1931 色度图中的表示

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

图4 380～1 100 nm理论反射光谱

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

4 实验制备

本文使用真空电子束蒸发镀膜技术对上述设计进行制备，它采用e型电子枪产生电子束，薄膜厚度的监控采用石英晶体监控法，本底真空约为1×10-4Pa。材料A、B、C的纯度均大于99.99%。制作3块圆形形状柔性基底(直径约为10 cm，厚度约为0.5 mm)作为沉积光子晶体薄膜的衬底，在制备之前，对衬底进行无水乙醇和超声波清洗，紫外灯烘干备用。

在沉积材料的过程中，考虑到膜料放气，镀膜机腔体真空度保持在5×10-3Pa以下。材料A 为高折射率材料，电子束将其熔融后蒸发，电子枪束流控制在90 mA左右，沉积速率控制在0.3 nm/s。材料B 为低折射率材料，电子束直接将其升华，比较容易分解，电子枪束流控制在10 mA左右，沉积速率控制在2 nm/s。材料C更容易蒸发，并且其涉及的膜层均较薄，电子枪束流控制在5 mA左右，沉积速率控制在1 nm/s。

保持上述条件不变的情况下，对设计的3种膜系分别进行制备，然后利用相关仪器对制备得到的薄膜进行测试分析[19-21]。

5 性能测试与结果分析

5.1 微观结构测试

首先对制备的3种光子晶体薄膜进行扫描电镜分析，使用的仪器为ZEISS 场发射扫描电子显微镜(SEM)。以青色光子晶体薄膜为例，得到的截面形貌图如图5所示。从照片中可以看出，材料A和材料B层间结合致密，分隔面平滑，和理论结构误差较小。虽然最后4层理论上较薄，但放大后，可以看到材料B和材料C 结合也较致密，具有明显的分层。因此，本实验室制备工艺条件下得到的光子晶体具有较好的结构特性。

图5 微观形貌图

5.2 可见光与1.06 μm激光性能测试与分析

通过对第3节中设计结果进行制备，可以得到的3种颜色的光子晶体隐身薄膜分别为青色、紫色和黄色。一方面可以将它们分别作为单色伪装色，用于模仿背景基本色或优势背景色，从而降低目标的显著性。另一方面可以将其组合成变形迷彩，如图6所示，将其置于复杂的环境中，对目标的可见光图像具有一定的分割能力，达到歪曲目标外形的效果。此外，可以根据环境的色彩情况，调节结构2的光谱，得到符合条件的颜色来配置三色迷彩。

图6 可见光迷彩照片

然后利用Avantes光谱仪测试3种薄膜的可见光-近红外光谱，测试波段范围为380～1 100 nm。将得到的光谱经平滑去噪处理后得到图7。可以看出，光谱曲线与理论具有一定差异，主要原因是由于薄膜制备过程中的真空度、沉积速率等条件不能稳定控制。但是光谱中的颜色特征峰还是比较明显，符合理论预期。光谱中1.06 μm处反射率均为10%左右，与预期差值较小，可以用来减小1.06 μm激光的反射能量，达到隐身的目的。

图7 380～1 100 nm实测反射光谱

5.3 远红外与10.6 μm激光性能测试与分析

对于光子晶体薄膜的远红外隐身性能检测，8～14 μm波段发射率是一个重要的因素。本文利用美国材料测试协会在《ASTM E1933-99a(2005)》中介绍的热像仪测量发射率的方法进行测试，测试思想是：首先通过接触式温度计确定样品表面的真实温度；然后利用热像仪内置的测温方法，调节样品区域的发射率设定值，直至测得的温度与样品的真实温度相等，该发射率设定值即为样品表面的发射率[22]。

本文测试使用Jenoptik varioCAM红外热像仪，其工作波段为8～14 μm。将3块光子晶体薄膜按图6的方式组合后贴于加热板表面，把加热板加热至60 ℃后保持稳定，拍摄热像图以灰度图的形式展示在图8中。然后利用上述方法测得3块材料的辐射温度、实际温度与发射率，数据记录在表2中。

图8 远红外热像图

Tab.2 Radiation temperature and emissivity of photonic crystals

从表2中可以看出，3种光子晶体隐身薄膜均可以明显地降低辐射温度，温差达30 ℃。表面发射率ε小于0.3，优于一般的隐身涂料(ε=0.6)[23]，故而对远红外具有很好的隐身效果。其中所制备的黄色光子晶体薄膜的表面发射率略高于青色和紫色，与热像图保持吻合。

使用Nicolet 8700傅里叶变换红外光谱仪测试光子晶体薄膜在远红外的反射光谱，结果如图9所示，可以看出3种光子晶体在8～14 μm波段均形成了明显的带隙特征，其中黄色光子晶体带隙宽度比青色和紫色窄，这也是黄色光子晶体薄膜发射率高的原因。除此以外，光谱在10.6 μm处均形成明显的反射谷，谷底反射率均保持在40%左右，较理论有所提高，主要是薄膜制备时膜厚控制、速率等因素变化造成的误差，但仍然可以在一定程度上降低10.6 μm激光的回波功率。

图9 8～14 μm实测反射光谱

此外，由于本文选择的材料均为非金属材料，对雷达波透明，因而该薄膜可以与雷达吸波材料组合来实现可见光、红外、激光与雷达波的兼容隐身。

6 结 论

本文利用传输矩阵理论和真空电子束蒸发镀膜工艺，设计并制备了3种颜色的可见光、远红外、1.06 μm及10.6 μm激光的兼容隐身光子晶体薄膜。通过各种相关的仪器对样品的微观结构、远红外辐射温度和反射光谱进行了测试和分析。结果表明，3种颜色的光子晶体薄膜均能很好地满足上述波段的兼容隐身，具有明显的实用价值。