CN115061229B - 激光与中远红外兼容隐身膜系结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光与中远红外兼容隐身膜系结构，属于多波段兼容隐身材料技术领域。是在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入金属反射薄膜层M(1)与金属反射薄膜层M(2)而形成的，其基本结构为以下4种之一：①A/B/T/A/M(1)/B/M(2)；②A/B/T/M(1)/A/B/M(2)；③A/B/M(1)/T/A/B/M(2)；④A/M(1)/B/T/A/B/M(2)；其中，介质层A、介质层B、介质层T的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2；金属反射薄膜层M(1)、金属反射薄膜层M(2)的材料独立地选自Ag、Au、Al。本发明的激光与中远红外兼容隐身膜系结构具有10.6µm激光与中远红外兼容隐身效果，有利于提升战场装备的隐身伪装与突防能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用F-P干涉与光子局域协同效应的10.6 µm激光与中远红外兼容隐身膜系结构，属于多波段兼容隐身材料技术领域。
背景技术
现代战场上的探测与制导技术已经日益多样化，雷达、激光、红外和可见光等多波段先进军事侦察设备均被联合应用，尤其是光学侦察、红外被动探测与激光主动探测已经形成多模式复合制导方式，被广泛应用于导弹等精确制导的非对称致命打击武器，其中10.6 µm二氧化碳激光器、3～5 µm与8～14 µm红外窗口探测器等应用十分普遍。
传统的隐身技术存在功能单一的局限性，只能较好地规避单一探测方式，对于多模式联合探测手段无能为力，在未来信息化战争中的生存能力面临重大危机隐患。因此，发展激光与红外兼容的多频谱隐身技术已经成为一个重要课题，以规避多源探测的高精度锁定与摧毁打击，提升军事装备的战场生存能力与突防能力。
传统的激光隐身手段通常采用稀土、半导体、等离子、导电聚合物等强吸收材料的涂敷，以期望对激光波段的反射率能降至最低水平。传统的红外隐身手段主要依赖于金属填料、半导体填料、电介质/金属多层复合膜、类金刚石碳膜等低发射率涂层技术，以期望对热红外光波具备高反射率，以减小红外热吸收，实现红外低发射率效果。然而，10.6 µm激光频域正处于8～14 µm远红外窗口波段区间，若要实现对被动式红外探测与主动式激光探测两者的兼容隐身，就必须同时提高材料的红外反射率和降低激光波长处的反射率，这两种隐身原理在某种意义上相互矛盾，很难被传统的隐身材料所实现。随着激光与红外在探测与制导中扮演着日益重要的关键角色，实现10.6 µm激光频域与中远红外的兼容隐身材料技术是迫在眉睫的事情。
随着光子晶体、超构吸波体、F-P干涉腔、D-M-D（介质-金属-介质）结构等微结构被逐步发现具有较好的电磁波选择性操控特性，已经在解决红外辐射选择性调控领域倍受重视，并在多频谱兼容隐身领域获得较好的突破性发展。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种激光与中远红外兼容隐身膜系结构。本发明利用F-P腔干涉（Fabry-Perot，法布里-珀罗）与掺杂态光子晶体的组合，设计了新型特定构型的多层结构薄膜材料，协同发挥F-P腔相消干涉、光子禁带、光子局域的综合效应，实现了10.6 µm激光与3～5µm、8～14 µm中远红外兼容的多波段隐身功能，有利于提升战场装备的隐身伪装与突防能力，是战斗力生成的“增倍器”。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激光与中远红外兼容隐身膜系结构，是在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入金属反射薄膜层M(1)与金属反射薄膜层M(2)而形成的，其基本结构为以下4种之一：
①A/B/T/A/M(1)/B/M(2)；②A/B/T/M(1)/A/B/M(2)；③A/B/M(1)/T/A/B/M(2)；④A/M(1)/B/T/A/B/M(2)；
其中，介质层A、介质层B、介质层T的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2；金属反射薄膜层M(1)、金属反射薄膜层M(2)的材料独立地选自Ag、Au、Al，起到F-P腔双侧强反射镜效应；
介质层A、介质层B、介质层T在10.6 µm处的折射率分别为nA、nB、nT，介质层A、介质层B、介质层T的厚度分别为dA、dB、dT，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈（2650±Δ）nm，Δ为误差纠正补偿量，且75≤Δ≤300，对于结构①、③，取“-”，对于结构②、④，取“+”；金属反射薄膜层M(1)、金属反射薄膜层M(2)的厚度均为5～25 nm。
所述激光与中远红外兼容隐身膜系结构在作为或制备红外与激光兼容隐身材料中的应用。具体应用时，可在基底表面采用原子层沉积、磁控溅射、蒸发镀等先进微纳制造技术逐层涂覆各介质层和金属反射薄膜层，从而高精度地制备出该膜系结构。所述基底选自氧化铟锡（ITO）、氧化锡锑（ATO）、石英、PET等。
本发明的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，利用F-P干涉与光子局域协同效应，通过在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入两金属反射薄膜层M(1)与M(2)，构成了4种膜系结构样式，取得了以下有益效果：1、利用光子晶体的“光子禁带”效应与金属薄膜强反射作用，形成3～5 µm、8～14 µm中远红外窗口波段的高反射特征；2、运用掺杂态光子晶体的“光子局域”效应与非对称F-P干涉效应协同作用，在10.6 µm激光频域处实现“光谱挖孔”，形成低反射“陷光”现象，从而实现了10.6 µm激光与中远红外兼容隐身效果。
本发明的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，通过在掺杂态光子晶体的基础结构上插入金属反射薄膜，巧妙地利用了非对称F-P干涉效应与光子局域效应的协同综合作用，与单纯的F-P腔干涉与光子晶体缺陷态相比，在10.6 µm激光频域处具有更低的反射率与更窄频带的“光谱挖孔”豁口宽度，能达成激光与红外兼容隐身的完美结合，同时其排列简单的膜系结构具有较好的可制造加工特点。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
图1：基本结构①的结构示意图。
图2：基本结构②的结构示意图。
图3：基本结构③的结构示意图。
图4：基本结构④的结构示意图。
图5：反射光谱特性示意图（修正前）。
图6：远红外波段反射光谱特性示意图（修正前）。
图7：反射光谱特性示意图（修正后）。
图8：远红外波段反射光谱特性示意图（修正后）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1 激光与中远红外兼容隐身膜系结构
是在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入金属反射薄膜层M(1)与金属反射薄膜层M(2)而形成的，其基本结构为以下4种之一：
①A/B/T/A/M(1)/B/M(2)，如图1所示；
②A/B/T/M(1)/A/B/M(2)，如图2所示；
③A/B/M(1)/T/A/B/M(2)，如图3所示；
④A/M(1)/B/T/A/B/M(2)，如图4所示；
其中，介质层A、介质层T的材料均为硒化锌（ZnSe），在10.6 µm处的折射率为2.4；介质层B的材料为二氧化钛（TiO2），在10.6 µm处的折射率为1.18。介质层A、介质层B、介质层T、的厚度分别为dA、dB、dT，根据四分之一个光波波长的设计标准，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈2650 nm，其中，介质层A、介质层T的厚度均为1104 nm，介质层B的厚度为2246 nm。金属反射薄膜层M(1)、金属反射薄膜层M(2)均为Ag薄膜，厚度分别为10 nm、20nm。
模拟分析该实施例中的四种膜系结构样式在750～15000 nm的反射光谱特性，以没有被插入两金属反射薄膜层的本征膜系结构A/B/T/A/B为对照组，结果如图5所示，经局部放大的远红外窗口波段8000～14000 nm的反射光谱如图6所示。由图5可知，所有的膜系结构均在中红外窗口波段3～5 µm区间形成高反射率的“光子禁带”效应，即具备有非常低的发射率，具有很好的中红外隐身效果。同时，在远红外窗口波段区间8～14 µm形成“凹陷”型的反射光谱现象，以10.3～10.9 µm波段的频域为中心形成了“光谱挖孔”效果。远红外窗口波段的反射率分布如图6所示，显然①、②、③、④这四种膜系结构样式造成的“陷光”豁口形状部位比本征态膜系结构A/B/T/A/B的频带更窄，且反射率更低。这说明利用两金属薄膜间的F-P干涉与光子晶体的光子局域协同效应，能更好地实现窄带低反射的“光谱挖孔”效果。然而，它们的低反射“陷光”豁口的中心频率却不在10.6 µm激光频域处。当两金属薄膜M(1)与M(2)中间夹的介质层数量为偶数时，如膜系结构样式②与④，其“陷光”中心频率小于10.6 µm；当两金属薄膜M(1)与M(2)中间夹的介质层数量为奇数时，如膜系结构样式①与③，其“陷光”中心频率大于10.6 µm。这不利于10.6 µm激光与远红外的兼容隐身，还反而成为了破坏远红外隐身的重要弊端。为了利用好F-P干涉与光子局域协同效应实现10.6 µm激光与中远红外兼容隐身功能，就需在介质膜层厚度上采取误差修正措施，使低反射“陷光”豁口的中心频率迁移到10.6 µm激光频域附近。
取误差修正补偿量Δ=150 nm，对于膜系结构样式①与，则有：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈2650-Δ，即nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈2500；而对于膜系结构样式②与④，则有：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈2650+Δ，即nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈2800。因此，在膜系结构样式①与③中， 介质层A、介质层T的厚度修正为1040 nm，介质层B的厚度修正为2119 nm。在膜系结构样式②与④中，介质层A、介质层T的厚度修正为1167 nm，介质层B的厚度修正为2373 nm。
模拟分析上述修正后的膜系结构在红外波段750～15000 nm的反射率特性，结果如图7、图8所示。显然，修正后的①、②、③、④四种膜系结构样式也能在3～5 µm中红外窗口波段区间内形成全域高反射现象，具有很好的中红外隐身效果。同时，经修正后，四种膜系结构样式在远红外窗口波段8～14 µm的“陷光”频带的中心频率均可移动到10.6 µm激光频域处，即在10.6 µm具有最低的反射率，其数值均小于10%，具有窄带低反射特征，比本征态膜系结构A/B/T/A/B可以更好地实现10.6 µm激光与远红外兼容隐身效果。本实施例通过在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入两金属反射薄膜层M(1)与M(2)，发挥F-P干涉与光子局域的协同效应，可达到更优异的激光与红外兼容隐身效果。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (7)
1.一种激光与中远红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：是在掺杂态光子晶体膜系结构A/B/T/A/B中插入金属反射薄膜层M1与金属反射薄膜层M2而形成的，其基本结构为以下4种之一：
①A/B/T/A/M1/B/M2；
②A/B/T/M1/A/B/M2；
③A/B/M1/T/A/B/M2；
④A/M1/B/T/A/B/M2；
其中，介质层A、介质层B、介质层T的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2的材料独立地选自Ag、Au、Al；
介质层A、介质层B、介质层T在10.6μm处的折射率分别为nA、nB、nT，介质层A、介质层B、介质层T的厚度分别为dA、dB、dT，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈(2650±Δ)nm，Δ为误差纠正补偿量，且75Δ≤300，对于结构①、③，取“-”，对于结构②、④，取“+”；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2的厚度均为5～25nm。
2.根据权利要求1所述的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：基本结构为①A/B/T/A/M1/B/M2；介质层A、介质层T的材料均为硒化锌，在10.6μm处的折射率为2.4；介质层B的材料为二氧化钛，在10.6μm处的折射率为1.18；介质层A、介质层T的厚度为1040nm，介质层B的厚度为2119nm；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2均为Ag薄膜，厚度分别为10nm、20nm。
3.根据权利要求1所述的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：基本结构为②A/B/T/M1/A/B/M2；介质层A、介质层T的材料均为硒化锌，在10.6μm处的折射率为2.4；介质层B的材料为二氧化钛，在10.6μm处的折射率为1.18；介质层A、介质层T的厚度为1167nm，介质层B的厚度为2373nm；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2均为Ag薄膜，厚度分别为10nm、20nm。
4.根据权利要求1所述的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：基本结构为③A/B/M1/T/A/B/M2；介质层A、介质层T的材料均为硒化锌，在10.6μm处的折射率为2.4；介质层B的材料为二氧化钛，在10.6μm处的折射率为1.18；介质层A、介质层T的厚度为1040nm，介质层B的厚度为2119nm；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2均为Ag薄膜，厚度分别为10nm、20nm。
5.根据权利要求1所述的激光与中远红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：基本结构为④A/M1/B/T/A/B/M2；介质层A、介质层T的材料均为硒化锌，在10.6μm处的折射率为2.4；介质层B的材料为二氧化钛，在10.6μm处的折射率为1.18；介质层A、介质层T的厚度为1167nm，介质层B的厚度为2373nm；金属反射薄膜层M1、金属反射薄膜层M2均为Ag薄膜，厚度分别为10nm、20nm。
6.权利要求1～5中任一项所述的激光与中远红外兼容隐身膜系结构在作为或制备红外与激光兼容隐身材料中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：具体应用时，在基底表面采用原子层沉积、磁控溅射和/或蒸发镀技术逐层涂覆各介质层和金属反射薄膜层。
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