基于光子晶体的红外隐身技术发展

金 斌,孙海文

(海军研究院,北京 102442)

随着现代战争中各型武器运动速度的不断提升,相应的红外特性越发明显。与此同时,先进新型半导体产业正在蓬勃发展,推动着红外探测设备的性能得到加强,极大地提高了对强红外特性武器的预警探测能力。因此,红外隐身技术已成为提高现代战场作战单位生存能力和作战效能的关键,相关发展需求日益迫切。红外隐身材料的使用在现代军事运用中发挥着重要作用。

1987年,E.Yablonovitche[1]和S.John[2]同时提出了光子晶体的概念。由于光子晶体能够引导光子传输,从而具备优异的红外隐身性能。当前,世界各国掀起了用光子晶体对特定频率波段的光子进行调制的研究热潮,试图设计出符合光谱要求的光子晶体材料,以满足多波段兼容隐身的需要。本文梳理了国外光子晶体红外隐身发展概况,总结了其红外隐身技术的特点,介绍了光子晶体兼容隐身技术的研究进展,在此基础上,对未来光子晶体红外隐身技术在军事上应用进行了思考,预测了发展方向。

1 国外光子晶体红外隐身材料发展概况

近年来,随着对光子晶体的结构和光学特性的探索逐步深化,为了更好地利用光子晶体实现红外隐身,国内外研究主要集中在控制光子晶体的带隙、多波段兼容的提高以及三维光子晶体结构等方面。光子晶体知识图谱如图1所示。

图1 光子晶体知识图谱Fig.1 Photonic crystal knowledge map

决定光子晶体带隙宽度的因素包括几何形貌、空间结构分布和介电常数比值。在隐身方面,一维光子晶体制备简单且技术成熟,但电磁波的调制范围有限。1997年,Djuric等通过将6个Si/SiO2结构周期性排列,构造了在3.5～4.5 μm红外波段辐射透过率接近于零的光子晶体[3]。Temelkuran等在2001年,借助聚乙烯实现了能在4.5～5.5 μm和8～12 μm大气窗口波段全反射任意偏振态入射光的一维光子晶体[4]。2004年,Drupp等以铝和聚酰亚胺为基底,实现了在中红外和远红外波段具有优异禁带效果的双波段光子晶体[5]。2018年,Kang等利用电介质氯化铯和石墨烯与一般有耗介质结合制备了一维光子晶体[6],试验表明所制备的一维光子晶体在中红外频率范围内具有较大的带宽和吸收率(90%)。该项研究对未来红外隐身材料和宽带光电探测器的设计具有重要意义。

随着维度的增加,光子晶体性能越发优异,与此同时,其制备工艺也越发复杂。20世纪末,Rowson等用硅材料研制了二维光子晶体,其具有优异的红外波段隐身效果[7]。21世纪初,Kuriki等利用聚醚砜树脂(PES)和三硒化二砷(As2Se3),通过气相沉积法,研制出了二维光子晶体[8]。

虽说一维、二维光子晶体的研究与制备相对简单,三维光子晶体结构复杂,不易制造,但由于其可实现对于任意方向入射的电磁波的理想调制,三维光子晶体才是未来红外隐身材料的核心研究对象。1998年,Lin等利用激光刻蚀技术制备了三维光子晶体,可使多个角度射入的光的反射率均达到90%[9]。2005年,Enoch等利用气相沉积法和激光刻蚀法将金(Au)、硒化锌(ZnSe)制作成层状支撑栅栏片结构,在7～12 μm实现了良好的抑制辐射效果[10]。2015年,Chernow等制备了三维光子晶体,其可在近、中红外波段进行调节[11]。随着光子晶体技术不断进步和广泛运用,其正在改变战场上的攻防对抗和作战行动样式。

2 光子晶体红外隐身技术的特点

光子晶体材料能解决传统材料难以解决的激光、红外兼容隐身问题,且具备良好的雷达透波性能,可为多波段兼容隐身材料技术和装备的发展提供良好支撑。

带隙和缺陷特征使光子晶体具有独特的热辐射和光波调控能力,相比传统隐身材料,基于光子晶体的多波段隐身薄膜的优势主要体现在三个方面:

1)解决了高温目标隐身困难的问题。利用光子晶体的禁带特性可以在特定波段上实现需要的低发射率,比传统隐身材料的发射率要低很多,从而能满足高温目标热红外(3～5 μm和8～14 μm波段)隐身的要求,如图2所示。

图2 理想隐身材料的反射光谱图Fig.2 Reflection Spectrum of Ideal Stealth Material

2)解决了传统红外隐身材料与激光隐身材料以及雷达隐身材料难以兼容的问题。

①开辟了热红外与激光兼容隐身新途径。利用光子晶体的光子局域特性,在光子晶体材料的带隙内引入一个极窄能带,在保证整个带隙内高反射率的同时,可以在某个波长上出现相反的低反射率,恰好可以实现激光隐身与热红外隐身兼容。

②解决了红外和雷达波兼容隐身的矛盾。光子晶体隐身材料可以不采用金属,因而对微波是透明的,如果将其覆盖在雷达隐身材料的表面,并不影响后者的性能。这个特点还使得光子晶体隐身材料适用于需要透射雷达波的特殊部位,如雷达天线罩等。

3)在实现红外隐身的同时解决了热目标的散热问题。光子晶体隐身材料只在两个大气窗口具备低发射率,而在大气窗口之外,其发射率较高,目标的热量可以透过大气窗口以外的波段照常散发,从而避免了热目标的热量积累问题。

3 光子晶体兼容隐身技术的研究进展

随着探测技术的日益发展,激光、雷达、近红外线、可见光等探测设备性能日益完善,多样性的探测手段使得打击武器在战场上更容易被探测发现,这使得单一频段的隐身材料无法满足现代战争的实际需求。为躲避各种探测设备的侦测,研制具有全方位、多波段兼容的隐身材料成为目前在隐身技术研发方面的焦点,如图3所示。很多西方发达国家在多频段兼容隐身材料的研究领域已经取得了很大的进展,其新型隐身涂层技术可以使目标被可见光、近红外、远红外和雷达探测设备识别的概率大大降低。例如,德国开发的半导体隐身材料已经实现了对可见光、热红外、微波和毫米波的多频段隐身[12];加拿大开发出的一种系统能够对可见光、红外线和雷达的三种频段进行兼容隐身[13]。对比西方国家,我国在红外与其他隐身兼容技术方面的研究起步晚,所面临的挑战大。

图3 光子晶体隐身技术发展趋势Fig.3 Development trend of photonic crystal stealth technology

目前,在武器装备上只采用了传统的单波段隐身材料相组合的方法很难实现可见光、雷达、红外、激光兼容隐身的问题。开发和研究新型材料,比如光子晶体、超材料等是当前发展方向。由于光子晶体具有良好的选择性多波段红外隐身性能,世界各国高度重视该材料的研究和应用。

3.1 红外多波段隐身

由辐射定律可知,降低红外辐射度的主要方式有二种:一种是降低目标表面的发射率(即提高红外反射率);另一种是控制目标的表面温度,通过降低物体表面温度,来减弱物体被红外探测器发现的概率。对于低温背景而言,目标的材料发射率越低,其在红外波段隐身的效果就越强。实现多波段红外隐身能力是当前红外隐身技术重点发展方向之一。光子晶体材料利用禁带特性可以在特定波段上实现需要的低发射率,比传统隐身材料的发射率低很多,能满足高温目标热红外(3～5 μm和8～14 μm波段)隐身的要求。

20世纪末,美国麻省理工学院的Fink等研究制备出了由聚苯乙烯和碲交替而成的一维光子晶体[14],该结构可以设计得到不同波段的光子禁带,开创了红外多波段隐身技术研究的先河。21世纪初,美国加州Sandia实验室的Lin等成功设计出了一种三维硅材料的光子晶体薄膜[15],这项研究的试验结果表明,这种覆膜材料能够强化5～9 μm波段的辐射,并抑制10～16 μm频段的辐射。与此同时,加拿大多伦多大学的Blanco等以二氧化硅蛋白构成的光子晶体为基础[16],设计了一种全新的具有近、远红外双波段全光子禁带的三维硅反蛋白石光子晶体,实现了红外隐身技术从单波段到双波段的突破。2001年,麻省理工学院Fink团队的Temelkuran等再次在一维光子晶体红外兼容隐身方面取得突破,实现了中红外波段的全向反射[17],该反光板对4.5～5.5 μm波段和8～12 μm波段内的任何偏振调制态的电磁波均能产生全向反射。2006年,美国加州大学洛杉矶分校的Alive等制造出了一种反蛋白光子晶体[18],这是一种可以在中红外和远红外波段兼容隐身的材料,该材料是一种硫系玻璃,其光子禁带可以被调谐到3～5 μm和8～14 μm的红外大气透明窗口区域。随着光子晶体设计的逐步完善,光子晶体在红外隐身方面的应用前景非常广泛。

3.2 雷达-红外兼容隐身

雷达隐身材料要求能够对雷达波具有高吸收、低反射的能力,而红外隐身材料则要求具有对红外线的低吸收、高反射率特性[19],因此,雷达隐身和红外隐身对于材料性质的要求是完全相反的,很少有材料能够同时满足以上要求,这也是雷达和红外兼容隐身技术的困难所在。早在20世纪80年代,利用掺杂金属氧化物的半导体材料,实现了雷达-红外的兼容隐身[20],但是,含有金属的半导体材料对雷达波具有一定的反射,不利于雷达隐身的效果,因此,采用这种方法无法实现高性能的雷达-红外隐身材料。

光子晶体因其特有的晶体结构,能够对红外波段实现选择性低吸收,而对雷达波材料可实现高透射性,所以可为雷达-红外兼容隐身提供新的研究思路。2014年,华中科技大学研制出将锗和硫化锌交替的一维双异质结构复合光子晶体材料[21],结果表明,该材料在3～5 μm和8～14 μm的波长范围内均可达到大于0.99的高反射率,并具有很高的雷达波段透射率,实现了雷达-红外兼容隐身。2017年,合肥脉冲功率激光技术国家重点实验室的张继魁等制备了一种锗、硒化锌和硅掺杂结构一维光子晶体[22],基本实现了红外、激光、雷达这三个波段的兼容隐身。

可见,在利用光子晶体的红外低辐射的特性进行红外隐身的同时, 还能够利用它对雷达信号的高透射,使之与微波吸收材料相融合,从而达到雷达-红外兼容隐身的目的。与激光-红外光子晶体兼容隐身技术类似,目前的雷达-红外光子晶体兼容隐身技术也主要集中在一维光子晶体层面,该技术今后还需要向二、三维光子晶体方面发展。

3.3 可见光-红外兼容隐身

在战争中,伪装、隐蔽、埋伏等作战手段时常运用,指挥员根据作战环境和武器装备特点,实施昼夜伪装隐蔽,这就需要可见光-红外兼容隐身能力。由于光子晶体具备优异的红外隐身性能,为可见光-红外兼容隐身提供了新的技术途径,如图4所示。

图4 可见光-红外兼容隐身Fig.4 Visible infrared compatible stealth

2016年,合肥脉冲功率激光技术国家重点实验室的张继魁等成功设计和制造了多种不同发射率的光子晶体迷彩[23],并将其覆盖到仿真目标上,利用8～14 μm的热像仪观测目标和背景,并记录了不同时间点的平均辐射温度数值,从而利用平均辐射温度测算目标在此背景下的隐身效果。结果显示,该技术实现了可见光-红外兼容隐身。同年,华中科技大学Qi等从理论上提出了基于ZnS/Ge一维光子晶体的可用于红外和可见光的兼容隐身的材料,并进行了实验研究[24]。由于等倾干涉,该一维光子晶体结构可以根据不同的响应波长呈现一定的颜色。此外,在3～5 μm的红外大气窗口下,该结构的平均发射率可低至0.054。该研究表明,一维光子晶体实现红外可见兼容隐形是可行的,推进了隐身材料的多功能化发展。

4 未来光子晶体红外隐身技术发展启示

光子晶体理论已提出30多年,但其实际应用较少,尚未解决低成本大规模生产问题,因此,目前国际上还尚未真正把这一隐身技术运用到对于可靠性要求极高的军事领域。相比较而言,传统红外隐身手段和材料应用较为广泛。

伴随现代探测技术的不断发展和精确制导武器的使用,探测设备在物理原理以及探测精度上都有了很大的提升,获取情报的方式也呈现出多样化发展趋势,配合现代化武器,一旦探测到了目标即可实施精确打击,完成“探测即摧毁”的任务。目前,实现精确打击采用的最精准和抗干扰力强的制导方式之一为“红外制导”。在实际应用中,隐身材料将面临多重挑战,未来光子晶体红外隐身材料的发展将集中于以下几个方面。

1)多波段兼容隐身

光子晶体在可见光/红外、雷达/红外、激光/红外兼容隐身方面取得诸多进展,但相关研究还局限于实验阶段,且只是对两两之间展开讨论,并未真正实现“多波段”同时作用。由于光子晶体具备选择性光子传播,光子晶体最大的特点之一是可以根据实际隐身能力需求,定制多波段复合隐身功能。

2)隐身材料的智能化、全方位适用性

在实际应用中,由于温度、湿度、太阳光强度等环境因素将发生动态变化,物体与环境之间的红外辐射强度差异也会发生动态变化,因此,红外隐身材料具有自适应功能是非常必要的。常规的变温和变发射型红外隐身技术无法达到理想的自适应效果。如果将变发射率材料和光子晶体相结合,就可能获得灵敏度高,调制范围大的变发射率自适应红外隐身材料。

3)隔热、控温与隐身等多种功能相结合

考虑近年来航空航天技术的飞速发展和现代战争的需要,无论是飞机、导弹,还是火箭,在飞行过程中都需要承受更多的高温和热冲击。不同于用于地面车辆的隐身材料,应用于这类高速飞行的物体的隐身材料必须具有优异的隔热耐高温性能以防止其烧毁。因此,将隔热、控温与隐身相结合是红外隐身材料的研究趋势之一。

4)低成本

光子晶体选择性波段隐身结构设计成本较高,尚处在实验室少量制备中,在大规模、大面积、低成本光子晶体制备上还存在不足。光子晶体隐身技术的制备工艺需进一步完善,以实现相关研究成果在未来军事领域的大批量生产,并提高其生产和使用的可靠性。

5)多物理场隐身

在单一雷达基站的情况下,只要让散射波尽可能少地被探测器接收或者完美绕过被探测物体,就可以实现隐身效果。现实世界是多物理场综合作用的世界,为了对抗隐身技术,现代探测技术不仅以多波段的方式得到了较快的发展,还会通过多物理场手段进行探测。除了电磁波段外,还有水波、声波等机械波,物体所处的背景往往是非常复杂的,因此,单一物理场的隐身技术已经不能满足现实需求,现代隐身技术应当追求在非常复杂的物理场情况下隐藏目标。对现代战争而言,开发具有多种功能的新型兼容隐身材料,就具有重要的战略意义,这也是“隐身”这一大课题的发展趋势之一。

5 结束语

光子晶体概念的提出至今不过30年。考虑其优异的物理特性,通过与其他隐身策略的协同工作,光子晶体必将在未来武器装备隐身领域大放异彩。因此,在当今鼓励多学科交叉研究的背景下,研究人员应尝试将光子晶体薄膜、热隐身超材料、迷彩涂料等多种隐身材料合理排布组合,从而形成复合型隐身材料。此外,用于制作光子晶体的材料也应不拘一格、大胆创新,在低成本的基础上,向选择性多波段兼容隐身的研发制备方向迈进。