CN114690278A - 一种用于高光谱-激光隐身的多层薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高光谱‑激光隐身的多层薄膜，属于高光谱‑激光隐身技术领域。自下而上依次包括：高光谱‑激光兼容隐身层、可见光减反吸收介质膜层及可见光颜色调控层；所述高光谱‑激光兼容隐身层包含多种不同折射率的多层介质材料，所述多层介质材料交替堆叠放置；所述可见光减反吸收介质膜层材料的折射率虚部不为零，用于实现对可见光波段的选择性高吸收；所述可见光颜色调控层的介质材料折射率小于所述可见光减反吸收介质膜层，所述可见光颜色调控层表面的颜色随着该层材料的厚度变化。本发明实现了对0.8‑1.3μm近红外高原的高反射以及正入射1.06μm激光的低反射，具备高光谱‑激光兼容隐身性能，并且能够满足不同环境中的可见光隐身需求。
Description
技术领域
本发明属于高光谱-激光隐身技术领域，更具体地，涉及一种用于高光谱-激光隐身的多层薄膜。
背景技术
在现代高科技战争中，高光谱、激光等先进探测技术的发展增强了对地面军事目标的识别、打击能力，对地面军事目标的作战效能构成了强劲威胁。
高光谱探测技术是一种先进的光学探测技术，可精确测量侦察图像中每一像素点的光谱特征，主要作用在可见光、近红外的0.4-2.5μm波段，光谱分辨率最高可以达到10nm。高光谱探测技术通过测量、分析不同像素点(如植物、油漆、塑料等)间的光谱特征差异来识别传统可见光隐身目标，使与绿色植物背景“同色不同谱”的传统可见光隐身目标无所遁形。高光谱侦察对传统光学隐身目标构成了巨大威胁。
现有的高光谱隐身技术主要是使用涂料体系，涂料主要针对以下光谱特征进行调控：第一，550nm处绿色反射峰，反射强度为15％-25％，用于模拟绿色植物颜色；第二，800-1300nm处的近红外反射高原，此波段内反射强度为50％-60％，用于模拟植物表面结构对光的反射；第三，1450nm和1950nm处的低反射谷，为植物叶片中的水分吸收造成。实现对上述特征和绿色植物光谱的精确模拟，就可实现对高光谱探测的隐身。同时，不同背景环境的颜色可能发生改变，因此需要高光谱隐身材料具备实现不同颜色满足与背景匹配的能力。
在光频段，1.06μm是典型的激光波长，激光隐身需要材料具备对激光频点的窄带低反射，即高吸收特性。然而，1.06μm激光的窄带吸收与满足高光谱隐身所需的0.8-1.3μm“近红外高原”宽带高反射互为矛盾。原因在于常规的1.06μm激光吸收材料(稀土元素等)均为宽带吸收，会破坏“近红外高原”宽带反射特性，因为两种需求难以同时实现，高光谱-激光兼容隐身缺乏有效的调控手段。
因此，迫切需要一种能够同时满足1.06μm窄带高吸收与0.8-1.3μm宽带高反射特性的、1.45μm和1.95μm低反射的、且可实现不同颜色的材料来满足高光谱-激光兼容隐身的技术需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于高光谱-激光隐身的多层薄膜，用于在同一波段内同时实现窄带低反射与宽带高反射。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于高光谱-激光隐身的多层薄膜，自下而上依次包括：高光谱-激光兼容隐身层、可见光减反吸收介质膜层及可见光颜色调控层；
所述高光谱-激光兼容隐身层包含多种不同折射率的多层介质材料，所述多层介质材料交替堆叠放置；
所述可见光减反吸收介质膜层材料的折射率虚部不为零，用于实现对可见光波段的选择性高吸收；
所述可见光颜色调控层的介质材料折射率小于所述可见光减反吸收介质膜层，所述可见光颜色调控层表面的颜色随着该层材料的厚度变化。
进一步地，所述高光谱-激光兼容隐身层中的高折射率介质材料为锗、硅或碳化硅中的一种或多种；所述高光谱-激光兼容隐身层中的低折射率介质材料为硫化锌、氟化镁、氟化镱、氧化铝中的一种或多种。
进一步地，所述高光谱-激光兼容隐身层为两种不同折射率的多层介质材料交替堆叠放置。
进一步地，所述两种不同折射率的介质材料为锗和氟化镁；所述锗厚度为5-650nm，氟化镁厚度为15-850nm。
进一步地，所述两种不同折射率的介质材料之间满足：
nHdH＝1/4λ、nLdL＝1/4λ
其中，dH与dL分别表示高、低两种折射率介质材料的厚度，nH与nL分别表示两种折射率介质材料的折射率，λ表示作用波长。
进一步地，所述可见光减反吸收介质膜层材料的折射率实部与虚部数值相等。
进一步地，所述可见光减反吸收介质膜层为锗，厚度为1-15nm。
进一步地，所述可见光颜色调控层的材料为氟化镁、硫化锌或氟化镱。
进一步地，所述可见光颜色调控层材料的厚度为100-350nm。
进一步地，还包括位于最底层的衬底，所述衬底为固体材料或柔性材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明利用多种不同折射率的介质材料交替堆叠放置的多层介质薄膜的光子带隙、窄带选择性透过特性实现对0.8-1.3μm近红外高原的高反射(宽带反射率在50％-60％之间)以及正入射1.06μm激光的低反射，设计结果表明，本申请中的结构可精细模拟绿色植物0.4-2.5μm反射光谱，且在1.06μm激光波段具备窄带低反射特性，不会影响高光谱隐身要求的0.8-1.3μm“近红外高原”高反射特性，同时实现了1.45μm和1.95μm的水分吸收峰，实现了高光谱-激光兼容隐身的性能，并且通过可见光颜色调控层调节膜层表面材料的厚度，实现调控膜层表面不同的可见光颜色，满足不同环境中的可见光隐身需求。
(2)作为优选，高光谱-激光兼容隐身层选择高低两种折射率的的多层介质材料交替堆叠，能够在满足高光谱-激光兼容隐身的同时，降低设计的难度。
(3)作为优选，当两种材料的厚度、折射率与作用波长满足一定关系时，光子带隙在作用波长周围形成的宽带反射效果最好。
(4)作为优选，可见光减反吸收介质膜层材料的折射率实部与虚部数值相等，该材料具有近零介电常数，具有高吸收与高频率选择特性，能够提高对可见光波段的吸收率。
总而言之，与传统可见光伪装迷彩相比，本发明提供的隐身材料可精细化模拟植物反射光谱，具有传统可见光伪装迷彩所不具有的防高光谱侦察能力；与传统高光谱隐身材料相比，本发明提供的高光谱-激光隐身的多层薄膜可以实现高光谱与1.06μm激光的兼容隐身，具备1.06μm波段的窄带低反射与0.8-1.3μm波段的宽带高反射性能，可弥补传统激光隐身材料的宽带吸收导致的难以与高光谱隐身相兼容的劣势，具有优秀的防高光谱侦察性能、防激光探测制导性能。
附图说明
图1为本发明提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构示意图；
图2为本发明实施例1中的高光谱-激光兼容隐身层示意图；
图3为本发明实施例1提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-2.5μm仿真反射谱线图；
图4为本发明实施例2-4提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-0.8μm仿真反射谱线图；
图5为本发明实施例2-4提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-2.5μm仿真反射谱线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜，主要包括：衬底、设置在衬底表面的高光谱-激光兼容隐身层、设置在高光谱-激光兼容隐身层表面的可见光减反吸收介质膜层以及最表面的可见光颜色调控层；
高光谱-激光兼容隐身层，用于实现对1.06μm波段的激光的窄带吸收，同时对除去激光1.06μm波段的0.4-2.5μm波段的可见光、近红外光进行宽带反射。具体的，高光谱-激光兼容隐身层包含多个不同折射率的介质材料交替堆叠的多层介质薄膜。作为优选，高光谱-激光兼容隐身层包含高、低两种不同折射率的多层介质材料，多层介质材料交替堆叠放置。
高光谱-激光兼容隐身层中的高折射率介质材料可以为锗、硅或碳化硅中的一种或多种。低折射率介质材料可以为硫化锌、氟化镁、氟化镱、氧化铝中的一种或多种。作为优选，高折射率材料为锗，低折射率材料为氟化镁、硫化锌。
作为优选，高折射率材料锗厚度为5-650nm，低折射率材料氟化镁厚度为15-850nm。
可见光减反吸收介质膜层，用于实现对可见光波段的选择性高吸收，吸收除伪装波长外的其它波长的光。在可见光波段需要具备较强的吸收特性，即满足膜层材料的折射率虚部不为零，利用对折射率虚部不为零具备损耗特性薄膜(比如具备可见光吸收特性的锗)的减反吸收效应实现可见光波段的选择性高吸收，即低反射，并实现750-800nm波段反射率的陡峭上升。
作为优选，可见光减反吸收介质膜层为锗薄膜，其厚度为1-15nm。在420nm波长处，其折射率实部与虚部数值相等，即介电常数实部为零，利用近零介电常数效应的高吸收与高频率选择特性，实现对可见光波段的高吸收率。
可见光颜色调控层，相对于可见光减反吸收介质膜层，为低折射率介质材料，利用该膜层材料的四分之一波长干涉效应，通过改变膜层材料的厚度，实现对可见光反射峰波长的调控，改变膜层表面的颜色，使其与背景颜色相适应，从而实现材料的可见光隐身。具体的，能够实现深绿色、浅绿色、深黄色等多种伪装色。
可见光颜色调控层选择的材料可以为氟化镁、硫化锌、氟化镱中的一种，其厚度为100-350nm。优选的，选择氟化镁作为可见光颜色调控层材料。
衬底，其主要作用是实现对膜层的承载，可以选择固体材料，如石英玻璃等，或者柔性材料，如聚酰亚胺等。优选的，衬底为石英玻璃。
本发明中，通过多种不用折射率的介质材料交替堆叠而成的多层介质薄膜结构可形成光子带隙或类光子带隙，在该带隙特性的作用下，通过对材料的特性、厚度调控，在特定波长周围形成宽带反射效果；同时，该带隙的叠加具备光谱选择特性，能够实现特定波长的窄带、宽带低反射，实现1.06μm、1.45μm和1.95μm波段的低反射率。
其中，该介质材料可以是无损介质材料或无损介质材料，作为优选，本实施例中，高光谱-激光兼容隐身层选择高低两种折射率的多层介质材料交替堆叠而成，当两种材料的厚度、折射率与作用波长λ满足nHdH＝1/4λ、nLdL＝1/4λ时，光子带隙在作用波长λ周围形成的宽带反射效果最好，其中，dH与dL分别代表高(折射率nH)、低(折射率nL)折射率材料厚度。当两种材料的厚度、折射率与作用波长不满足上式且材料存在损耗时，通过对有损材料损耗特性、厚度的调控，也可以实现对宽带反射幅度的调节。本实施例中，通过对材料的特性、厚度的调控，实现了对0.8-1.3μm近红外高原的高反射(宽带反射率在50％-60％之间)以及正入射1.06μm激光的低反射(窄带反射率低于10％)，同时实现1.45μm和1.95μm的水分吸收峰，达到高光谱-激光兼容隐身的目的。实际应用中，根据所需精度，调整膜层的厚度，实现不同的反射率。
本发明的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜是一种基于光谱选择特性多层薄膜结构的多功能隐身材料，本发明的实施例中，该多功能隐身材料，自下而上包括石英玻璃衬底、以锗/氟化镁交替堆叠多层薄膜结构为基础的高光谱-激光兼容隐身层、锗薄膜的可见光减反吸收介质膜层和氟化镁薄膜的可见光颜色调控层。
使用时，先在衬底表面镀制高光谱-激光兼容隐身层，再在其表面镀制可见光减反吸收介质膜层锗薄膜，最后在最上层镀制可见光颜色调控层氟化镁薄膜。
高光谱-激光兼容隐身层的结构自下而上由一层锗膜、一层氟化镁膜交替镀制36层构成，如图2所示。由衬底自下而上，36层膜的厚度(单位为nm)依次为：35.43、90.84、810.91、78.95、37.18、37.51、24.93、123.07、36.75、82.02、99.36、36.63、268.05、56.15、30.12、618.49、58.68、39.10、140.13、31.05、77.63、7.05、52.17、36.47、127.62、66.75、32.21、20.78、7.64、17.20、6.41、100.00、4.79、42.94、6.80、85.08。
可见光减反吸收介质膜层镀制在高光谱激光兼容隐身层表面，材料为锗，厚度优选为：2-8nm；可见光颜色调控层镀制在可见光减反吸收介质膜层表面，材料为氟化镁，厚度优选为：245-285nm。
以下结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例中，可见光减反吸收介质膜层中锗膜厚度为2nm，可见光颜色调控层氟化镁膜厚度为265nm，对应表面显色为绿色。图3为本发明实施例1提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-2.5μm仿真反射谱线图，从图中可以看出，1.06μm激光波长处，反射率低于10％，其余波段范围可精确模拟绿色植物反射光谱，与标准反射光谱光谱相似度大于90％。本实施例中，可见光颜色为绿色，色度坐标为(0.324，0.440)。
实施例2-4
实施例2-4提供的高光谱-激光隐身多层薄膜结构，与实施例1的区别在于：最表层可见光颜色调控层氟化镁膜的厚度不同，实施例2-5的氟化镁厚度依次为255、275、285nm。
实施例2-4提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-0.8μm仿真反射谱线图如图4所示。不同氟化镁膜厚度影响可见光波段不同反射峰波长位置，从而对表面颜色产生影响，对应的可见光色度图如表1所示，依次呈现深绿色、黄绿色、黄色，因而可满足不同背景环境下的可见光隐身需求。
表1实施例2-4的氟化镁膜厚度及对应颜色属性
| 实施例编号 | 氟化镁厚度 | 颜色 | 色度坐标 |
| 2 | 255nm | 深绿色 | (0.280，0.393) |
| 3 | 275nm | 黄绿色 | (0.369，0.469) |
| 4 | 285nm | 黄色 | (0.407，0.475) |
实施例2-4提供的用于高光谱-激光隐身的多层薄膜结构的0.4-2.5μm仿真反射谱线图如图5所示。不同氟化镁膜厚度不会对近红外光谱造成影响，因而不会对高光谱-激光隐身性能造成负面影响。
通过对比实施例1-4提供的0.4-2.5mm仿真反射谱线性能可以看出：
第一、实施例1-4均具备低于10％的1.06μm波段的激光反射率，具有激光隐身性能。
第二、实施例1-4在除去1.06μm(±50nm)波段的0.4-2.5μm其他波段范围与绿色植物标准反射光谱均具备较高的光谱相似度，相似度高于90％，具有高光谱隐身性能。
第三、实施例1-4由于最表面可见光颜色调控层氟化镁膜的厚度不同，使得表面可见光颜色不同，具备在不同背景环境中的可见光隐身性能。
与传统可见光伪装迷彩相比，本发明提供的隐身材料可精细化模拟植物反射光谱，具有传统可见光伪装迷彩所不具有的防高光谱侦察能力。与传统高光谱隐身材料相比，本发明提供的高光谱-激光隐身的多层薄膜可以实现高光谱与1.06μm激光的兼容隐身，具备1.06μm波段的窄带低反射与0.8-1.3μm波段的宽带高反射性能，可弥补传统激光隐身材料的宽带吸收导致的难以与高光谱隐身相兼容的劣势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高光谱-激光隐身的多层薄膜，其特征在于，自下而上依次包括：高光谱-激光兼容隐身层、可见光减反吸收介质膜层及可见光颜色调控层；
所述高光谱-激光兼容隐身层包含多种不同折射率的多层介质材料，所述多层介质材料交替堆叠放置；
所述可见光减反吸收介质膜层材料的折射率虚部不为零，用于实现对可见光波段的选择性高吸收；
所述可见光颜色调控层的介质材料折射率小于所述可见光减反吸收介质膜层，所述可见光颜色调控层表面的颜色随着该层材料的厚度变化。
2.根据权利要求1所述的多层薄膜，其特征在于，所述高光谱-激光兼容隐身层中的高折射率介质材料为锗、硅或碳化硅中的一种或多种；所述高光谱-激光兼容隐身层中的低折射率介质材料为硫化锌、氟化镁、氟化镱、氧化铝中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的多层薄膜，其特征在于，所述高光谱-激光兼容隐身层为两种不同折射率的多层介质材料交替堆叠放置。
4.根据权利要求3所述的多层薄膜，其特征在于，所述两种不同折射率的介质材料为锗和氟化镁；所述锗厚度为5-650nm，氟化镁厚度为15-850nm。
5.根据权利要求3所述的多层薄膜，其特征在于，所述两种不同折射率的介质材料之间满足：
nHdH＝1/4λ、nLdL＝1/4λ
其中，dH与dL分别表示高、低两种折射率介质材料的厚度，nH与nL分别表示两种折射率介质材料的折射率，λ表示作用波长。
6.根据权利要求1所述的多层薄膜，其特征在于，所述可见光减反吸收介质膜层材料的折射率实部与虚部数值相等。
7.根据权利要求6所述的多层薄膜，其特征在于，所述可见光减反吸收介质膜层为锗，厚度为1-15nm。
8.根据权利要求1所述的多层薄膜，其特征在于，所述可见光颜色调控层的材料为氟化镁、硫化锌或氟化镱。
9.根据权利要求8所述的多层薄膜，其特征在于，所述可见光颜色调控层材料的厚度为100-350nm。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的多层薄膜，其特征在于，还包括位于最底层的衬底，所述衬底为固体材料或柔性材料。
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