CN115453673A

CN115453673A - 利用f-p干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构

Info

Publication number: CN115453673A
Application number: CN202210549199.8A
Authority: CN
Inventors: 王龙; 汪刘应; 刘顾; 葛超群; 唐修检; 许可俊; 王文豪; 王伟超; 胡灵杰
Original assignee: Rocket Force University of Engineering of PLA
Current assignee: Rocket Force University of Engineering of PLA
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明公开了一种利用F‑P干涉效应的激光与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。其基本结构为[AB]ⁱT^j[AB]ⁱ[M₁DM₂]，其中i、j为介质膜层的排列周期数，i取值为1或2；j取值为0或1；所述介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂；所述M₁DM₂为金属‑电介质‑金属膜系结构，金属层M₁、金属层M₂的材料独立地选自Ag、Au、Al。本发明的膜系结构具备有1.06μm、10.6μm多激光频域窄带低反射特征，以及1～2.5μm、3～5μm与8～14μm多波段红外窗口的宽域高反射特征，具有较强的多频谱兼容隐身能力，具有非常重要的军事应用价值。

Description

利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构

技术领域

本发明涉及一种利用F-P干涉效应的激光与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，尤其是红外被动探测与激光主动探测已经普通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。因此，发展可见光、红外、激光及雷达波等多频谱兼容隐身防护体系已经成为当今隐身领域的一个重要课题，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。

激光探测与制导波段主要是YAG激光器对应的1.06 µm、二氧化碳激光器对应的10.6 µm，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。红外探测器工作波段主要利用近波段1～2.5 μm、中波段3～5 μm、长波段8～14 μm三个红外大气窗口波段，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，激光波长分别处于近红外与远红外两个红外窗口波段，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。特别是，实现多频域激光与多波段红外的兼容隐身将涉及跨频域、宽频域、隐身原理矛盾相克等限制，从而成为多频谱兼容隐身技术迫需攻克的主要“瓶颈”性难题。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1.06 µm、10.6 µm等激光频域与近中远多波段红外兼容隐身材料技术己经成为军事领域的一个重要课题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种利用F-P干涉效应（Fabry-Perot，法布里-珀罗）的激光与红外兼容隐身膜系结构。本发明利用F-P腔干涉与特殊光子晶体的组合，设计了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，实现了激光与红外兼容型多频谱隐身功能，为提升军事装备的战场生存能力提供了重要技术支撑。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其基本结构为 [AB]iTj[AB]i[M1DM2]，其中i、j为介质膜层的排列周期数，i取值为1或2；j取值为0或1；

所述介质层A、介质层B、介质层T的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2；

所述M1DM2为金属-电介质-金属膜系结构，金属层M1、金属层M2的材料独立地选自Ag、Au、Al；电介质层D的材料选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2；

介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D在10.6 µm处的折射率分别为nA、nB、nT、nD，介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D的厚度分别为dA、dB、dT、dD，因为在微结构中起干涉或谐振作用的光学波长通常与微纳结构等效光学厚度呈整数倍关系，因此具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈nD×dD≈(2650±Δ)/k nm，式中，k的取值为1或2，Δ为误差纠正补偿量，且0≤Δ≤150；金属层M1、金属层M2的厚度均为5～25 nm。

所述利用F-P干涉效应的激光与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。

本发明的利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，为光子晶体[AB]iTj[AB]i与非对称F-P腔M1DM2组合构成的，M1-D-M2为金属-电介质-金属膜系结构，其中，金属层M1、金属层M2采用Ag、Au、Al等常用金属反射薄膜，起到双侧强反射镜效应；介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D的材料选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al2O3、SiO2、TiO2等光学薄膜材料。本发明利用M1DM2的非对称F-P相消干涉效应，以及光子晶体[AB]iTj[AB]i的光子禁带、光子局域等综合效应设计出了特定膜系结构的复合薄膜材料，实现了在1.06 μm、10.6 μm激光频域窄带低反射特征，以及在近红外1～2.5 μm、中红外3～5 μm与远红外8～14 μm三个红外窗口波段实现宽域高反射特征，从而实现了激光与红外的多波段兼容隐身效果。

本发明的利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其微观结构是一类排列规律简单的新式膜系结构，具备有1.06 μm、10.6 μm多激光频域窄带低反射特征，以及1～2.5 μm、3～5 μm与8～14 μm多波段红外窗口的宽域高反射特征，具有较强的多频谱兼容隐身能力。本发明利用F-P干涉与光子局域的协同效应，能在红外宽域高反射“光子禁带”特征的反射光谱中激光频域处精准实现“光谱挖孔”，巧妙化解了激光隐身要求的低反射“陷光”与红外隐身要求的高反射低辐射之间的隐身原理冲突矛盾难题，有利于装备目标在战场中规避激光、红外双模制导武器的打击，具有非常重要的军事应用价值。

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：实施例1的膜系结构示意图。

图2：实施例1的红外反射光谱示意图。

图3：实施例2的膜系结构示意图。

图4：实施例2的红外反射光谱示意图。

图5：实施例3的膜系结构示意图。

图6：实施例3的红外反射光谱示意图。

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 利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构

基本结构为[AB]iTj[AB]i[M1DM2]，i=1，且j=1，如图1所示，其自上而下为A/B/T/A/B/M1/D/M2共8层介质膜层，即[AB]T[AB][M1DM2]。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、电介质层D的材料均为二氧化钛（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、电介质层D的厚度分别为dA、dB、dT、dD，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nT×dT≈nD×dD≈(2650－Δ)/k nm，式中，k的取值为1或2，Δ为误差纠正补偿量。具体地，对于介质层A、介质层T，k的取值为2，Δ=96，介质层A、介质层T的厚度均为532 nm。对于介质层B、电介质层D，k的取值为1，Δ=100，介质层B、电介质层D的厚度均为2161 nm。金属层M1、金属层M2均为Ag薄膜，厚度分别为10 nm、20 nm。

模拟分析上述[AB]T[AB][M1DM2]膜系结构在红外波段（750～15000 nm）的反射率特性，结果如图2所示。由图可知，其在1～2 µm近红外窗口波段区间内的反射率形成了一个“凹”字特征，即以1.06 µm频域附近处为中心形成了“光谱挖孔”的窄带低反射特征，其反射率约为25%，而在两侧其他近红外波段具有高反射“禁带”效应。在3.5～4.5 µm中红外波段窗口具有高反射“禁带”效应。在8～14 µm远红外窗口波段区间内的反射率也形成了一个“凹”字特征，以10.6 µm频域附近处为中心形成了“光谱挖孔”的窄带低反射特征，其反射率约为18%，而在两侧其他远红外波段具有较高的反射率。可见，本实施例的异质复合膜系结构[AB]T[AB][M1DM2]受益于非对称F-P相消干涉效应与光子局域效应，在1.06 µm、10.6 µm双激光频域具有弱反射“陷光”特征，有利于减小对激光主动探测或制导信号的反射，从而具备多频激光兼容隐身效果。同时，受益于光子禁带效应与金属薄膜强反射作用，在近中远多波段红外窗口区间实现了高反射率，即能实现红外低发射率，从而具备多波段红外兼容隐身效果。本实施例的结构实现了激光与红外的多波段兼容隐身效果，有利于在复杂战场背景环境中装备目标规避激光、红外的联合探测与制导，提高装备的隐身伪装能力。

实施例2 利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构

基本结构为[AB]iTj[AB]i[M1DM2]，i=1，且j=0，如图3所示，其自上而下为A/B/A/B/M1/D/M2共7层介质膜层，即[AB]2[M1DM2]。其中，介质层A的材料为硫化锌（ZnS），在10.6µm处的折射率为2.19；介质层B、电介质层D的材料均为二氧化钛（TiO2），在10.6 µm处的折射率为1.18。

介质层A、介质层B、电介质层D的厚度分别为dA、dB、dD，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nD×dD≈(2650－Δ)/k nm，式中，k的取值为1，Δ为0。具体地，介质层A的厚度为1210 nm。介质层B、电介质层D的厚度均为2246 nm。金属层M1、金属层M2均为Au薄膜，厚度分别为5 nm、15 nm。

模拟分析上述[AB]2[M1DM2]膜系结构在红外波段（750～15000 nm）的反射率特性，结果如图5所示。由图可见，首先，本实施例的膜系结构在1～2.5 µm近红外窗口波段区间的高反射“禁带”内形成了两条“陷光”型窄带现象，分别位于1.06 µm与1.7 µm频域附近，其中1.06 µm频域处于常用的钇铝石榴石激光器频带上，其反射率仅约为15%。其次，本实施例的膜系结构在3.5～4.5 µm中红外波段窗口具有高反射“禁带”效应。最后，在8～14 µm远红外窗口波段区间内的反射率形成了一个“凹”字特征，以10.6 µm频域附近处为中心形成了低反射的“陷光”特征，其反射率低于5%，而在两侧其他远红外波段具有较高的反射率。可见，本实施例的异质复合膜系结构[AB]2[M1DM2]受益于非对称F-P相消干涉效应、光子局域效应，在1.06 µm、10.6 µm双激光频域具有弱反射“陷光”特征，从而具备多频激光兼容隐身效果。同时，受益于光子禁带效应与金属薄膜强反射作用，在近中远多波段红外窗口区间实现了高反射率，即能实现红外低发射率，从而具备多波段红外兼容隐身效果。由此，本实施例的结构有利于实现1.06 µm、10.6 µm双频域激光与近中远红外的多波段兼容隐身效果，提高装备的战场生存能力与突防能力。

实施例3 利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构

基本结构为[AB]iTj[AB]i[M1DM2]，i=2，且j=0，如图5所示，其自上而下为A/B/A/B/A/B/A/B/M1/D/M2共11层介质膜层，即[AB]4[M1DM2]。其中，介质层A的材料为硒化锌（ZnSe），在10.6 µm处的折射率为2.4；介质层B、电介质层D的材料均为二氧化硅（SiO2），在10.6 µm处的折射率为2.07。

介质层A、介质层B、电介质层D的厚度分别为dA、dB、dD，具有以下关系：nA×dA≈nB×dB≈nD×dD≈(2650－Δ)/k nm，式中，k的取值为1，Δ为0。具体地，介质层A的厚度为1104 nm。介质层B、电介质层D的厚度均为1280 nm。金属层M1、金属层M2均为Ag薄膜，厚度分别为5 nm、25 nm。

模拟分析上述[AB]4[M1DM2]膜系结构在红外波段（750～15000 nm）的反射率特性，结果如图6所示。由图可见，首先，本实施例的膜系结构在1～2.5 µm近红外窗口波段区间都能达到50%以上的高反射现象，可较好地实现近红外隐身效果。其次，本实施例的膜系结构在3～5 µm中红外波段窗口反射率可达到80%以上，具有典型高反射“禁带”现象，因此具有非常好的中红外隐身效果。最后，在8～14 µm远红外窗口波段区间内，在10.6 µm频域附近处形成了低反射的“陷光”特征，其反射率低于5%，而在两侧其他大多远红外波段具有75%～90%的反射率，因此能较好的实现10.6 µm频域激光与远红外兼容隐身效果。可见，本实施例的异质复合膜系结构[AB]2[M1DM2]受益于非对称F-P相消干涉效应、光子局域效应，在10.6 µm激光频域具有弱反射“陷光”特征；同时受益于光子禁带效应与金属薄膜强反射作用，在近中远多波段红外窗口区间实现了高反射率，即能实现红外低发射率。因此，本实施例的结构有利于实现10.6 µm频域激光与近中远红外的多波段兼容隐身效果。

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

1.一种利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：其基本结构为[AB]ⁱT^j[AB]ⁱ[M₁DM₂]，其中i、j为介质膜层的排列周期数，i取值为1或2；j取值为0或1；

所述介质层A、介质层B、介质层T的材料独立地选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂；

所述M₁DM₂为金属-电介质-金属膜系结构，金属层M₁、金属层M₂的材料独立地选自Ag、Au、Al；电介质层D的材料选自ZnS、ZnO、ZnSe、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂；

介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D在10.6 µm处的折射率分别为n_A、n_B、n_T、n_D，介质层A、介质层B、介质层T、电介质层D的厚度分别为d_A、d_B、d_T、d_D，具有以下关系：n_A×d_A≈n_B×d_B≈n_T×d_T≈n_D×d_D≈(2650±Δ)/k nm，式中，k的取值为1或2，Δ为误差纠正补偿量，且0≤Δ≤150；金属层M₁、金属层M₂的厚度均为5～25 nm。

2.根据权利要求1所述的利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：i=1，且j=1；介质层A、介质层T的材料均为硒化锌，在10.6 µm处的折射率为2.4；介质层B、电介质层D的材料均为二氧化钛，在10.6 µm处的折射率为1.18；介质层A、介质层T的厚度均为532 nm；介质层B、电介质层D的厚度均为2161 nm；金属层M₁、金属层M₂均为Ag薄膜，厚度分别为10 nm、20 nm。

3.根据权利要求1所述的利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：i=1，且j=0；介质层A的材料为硫化锌，在10.6 µm处的折射率为2.19；介质层B、电介质层D的材料均为二氧化钛，在10.6 µm处的折射率为1.18；介质层A的厚度均为1210 nm；介质层B、电介质层D的厚度均为2246 nm；金属层M₁、金属层M₂均为Au薄膜，厚度分别为5 nm、15 nm。

4.根据权利要求1所述的利用F-P干涉效应的激光与红外兼容隐身膜系结构，其特征在于：i=2，且j=0；介质层A的材料为硒化锌，在10.6 µm处的折射率为2.4；介质层B、电介质层D的材料均为二氧化硅，在10.6 µm处的折射率为2.07；介质层A的厚度为1104 nm；介质层B、电介质层D的厚度均为1280 nm；金属层M₁、金属层M₂均为Ag薄膜，厚度分别为5 nm、25 nm。

5.权利要求1～4中任一项所述的利用F-P干涉效应的激光与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。

6.根据权利要求5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/或蒸发镀逐层涂覆各介质层和金属层。