CN107817615A - 一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，包括自上而下的一层亚波长金属光栅和金属衬底。本发明设计巧妙，结构简单，通过控制反射激光向离散的方向传播来降低材料的镜面反射率，再结合金属材料自身的红外低辐射特性，同时实现激光低反射与红外低辐射。该结构能够有效降低0.9‑1.6μm和8‑14μm波段的镜面反射率，并在两个红外大气窗口(3‑5μm，8‑14μm)保持很低的红外辐射。

Description

一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料
技术领域
本发明涉及电磁波相位调控的技术领域，具体涉及一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料。
背景技术
激光探测相较于传统的雷达探测技术，具有精度高、抗干扰能力强等优势。近些年来，随着激光技术的快速发展，产生了一系列的激光设备，如激光测距仪，激光雷达等等，如何降低物体的反射率以实现对激光的不可见成为了人们的研究热点。目前，激光设备主要采用四个波长，分别是0.93μm，1.06μm，1.54μm，和10.6μm，其中1.06μm和10.6μm两个波长最为主要。另一方面，随着多种探测技术的共同发展，主动式的激光探测器和被动式的热红外探测器经常被结合起来使用。要实现对激光探测的不可见，需要材料具有高吸收率或低反射率，而要实现对热红外探测的不可见则要求材料具有低的红外辐射率。根据基尔霍夫定律和能量转化定律，对于不透明的材料，其红外辐射率(E)，吸收率(A)，以及反射率(R)之间的关系为E＝A＝1-R。因此，具有红外低辐射率的材料通常有高的红外吸收率和红外反射率。一种材料在同一波段不可能同时拥有低的红外反射率与低的红外辐射，而激光探测设备所采用的波长均位于红外波段，因此实现激光低反射与红外低辐射形成了一对矛盾。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，通过引入亚波长结构并对反射电磁波的相位进行人为调制，再结合金属材料的红外低辐射属性，同时实现激光低反射与红外低辐射。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，该器件包括一层亚波长金属光栅和金属衬底。能够同时实现极低的镜面反射率以及热辐射率。
其中，所述金属光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/4，λ0为中心波长。
其中，所述金属条的宽度d，其取值范围为d<λ0/6，其周期p的取值范围为p<λ0/2，λ0为中心波长。
本发明具有的有益效果在于：
本发明设计巧妙，结构简单，通过利用全金属结构实现极低的红外热辐射，然后引入亚波长结构对电磁波相位进行人为调制大大的降低了镜面反射率，同时实现激光低反射和红外低辐射特性。此外，这种全金属的结构材料非常有利用在实际中应用。
附图说明
图1为本发明的超级单元结构示意图；
图2为实施例1中TE极化下不同入射角度对应的反射率仿真结果；
图3为实施例1中TM极化下不同入射角度对应的反射率仿真结果；
图4为实施例1中圆极化下不同入射角度对应的交叉极化和共极化反射率仿真结果；
图5为实施例1中TE和TM极化下不同入射角度对应的反射光相位差值仿真结果；
图6为实施例1中TE极化下不同入射角度对应的反射率测试结果；
图7为实施例1中TM极化下不同入射角度对应的反射率测试结果；
图8为实施例1中使用CO2激光器测试得到的结果；
图9为实施例1中通过热像仪测试得到的结果；
图中所标序号含义为：1为金属光栅，2为金属衬底。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，该结构包括亚波长金属光栅1和金属衬底2，金属光栅厚度为h，周期为p，金属条宽度为d。电磁波以一定入射角照射到结构上后，反射光将被散射到四个离散的方向上。
结合上述结构，首先说明本发明实现相位调制的原理，如下：
结构由几何尺寸一致但空间取向不同的亚波长金属光栅组成。设计的光栅周期和厚度符合反射式半波片的条件，即一束圆偏光入射时，反射光会转换成其相反的旋向。通过对双折射光栅进行合理的空间排布与取向设计，可以对反射光的相位进行调控。电磁波入射到超表面上时发生的相位突变在0到2π间变化，简单用公式表示就是ΔΦ＝±2Δθ，这里+/-号分别表示右旋光/左旋光入射的情况。Δθ表示双折射金属光栅的取向角差。这里，采用一种简单的设计，选用两种正交取向(Δθ＝π/2)的金属光栅按照棋盘的结构交错排布。在这种情形下，反射光会被散射到四个对称的方向上，以消除镜面反射。散射光与z轴的夹角可以通过以下公式计算：
这里，λ表示入射波长，P表示一个超级单元的边长，满足P＝2nΛ,其中Λ是光栅周期，n表示光栅里金属条的数目。由于所设计的结构是中心对称的，因此它不仅适用于圆偏光入射的情况，线偏光入射时一样有效果。这是因为线偏光可以视为两束手性相反但振幅相同的圆偏光的叠加。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
不失一般性，本实施例针红外大气窗口8-14μm(中心波长10.6μm)的电磁波进行设计，材料选择为金，介电常数从Palik光学手册中获得。采用CST软件对该结构进行仿真优化，优化后的单元结构参数为p＝5μm，d＝1.6μm，h＝2.7μm。
仿真结果如图2，3，4，5所示。从图2，3中可以看出，对于TE和TM两种极化，入射角在0到30°内时反射率均超过95％。因而，该结构对8-14μm的电磁波吸收损耗非常小(<5％)，说明结构在此波段的红外辐射也很低。图4所示为单元结构的极化转化仿真结果，可以看见，设计的结构在10.6μm波长处的转化效率接近100％。图5给出了在TE和TM两种极化下的相位差，可以看见10.6μm处相位差为π，进一步证实了10.6μm波长的电磁波在照射到结构上后会完全转化为其正交的偏振态。
实验结果如图6，7，8，9所示。图6，7为使用傅里叶红外光谱仪测试的结果。可以看见，镜面反射率得到了明显的降低，尤其是10-14μm波段，反射率降到了10％以下。图8为通过CO2激光器测试得到的结果，在红外显色卡上出现了明显的四个点，验证了反射光被散射到四个方向上。图9为热像仪的测量结果，可以看见样品的温度与金片相似，均明显低于陶瓷玩具的温度，证明样品的热辐射率很低。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，其特征在于：包括一层亚波长金属光栅和金属衬底，能够同时实现极低的镜面反射率以及热辐射率。
2.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，其特征在于：所述亚波长光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/4，λ0为中心波长。
3.根据权利要求1所述的一种同时实现激光低反射与红外低辐射的亚波长结构材料，其特征在于：所述金属条的宽度d，其取值范围为d<λ0/6，其周期p的取值范围为p<λ0/2，λ0为中心波长。
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