CN115847946B - 基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器及其在热伪装中的应用方法 - Google Patents
基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器及其在热伪装中的应用方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器及其在热伪装中的应用方法，属于微纳光子器件技术领域。本发明针对现有光谱辐射特性可调器件的调控幅度小并且调控稳定性差的问题。调控器包括：每个正方形调控单体为四层平面叠层结构，包括依次从下至上的银金属层、砷化镓介质中间层、非晶相In3SbTe2相变材料层和砷化镓介质顶层，所述非晶相In3SbTe2相变材料层通过被激励源加热由中心开始向外围延伸形成圆柱形晶相In3SbTe2相变区间；圆柱形晶相In3SbTe2相变区间通过冷却由外围向中心转变为非晶相In3SbTe2相变材料层；多个正方形调控单体按对应位置的光谱发射率目标值进行圆柱形晶相In3SbTe2相变区间范围的调整。本发明用于目标环境热伪装。
Description
技术领域
本发明涉及基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器及其在热伪装中的应用方法，属于微纳光子器件技术领域。
背景技术
长期以来，人们一直在研究能进行光谱辐射特性调控的材料和器件。光谱辐射特性可调材料和器件的一个重要但难以实现的特性是按需适应性，即对周围环境变化的快速和精确的动态响应。
近年来，挥发性相变材料如VO2以及液晶和WO3等电化学材料已被运用到辐射特性主动调控中。但是，这些材料必须持续提供能量才能进行调控，且具有恢复时间长，光谱可调性不精确等问题。因此，发展具有简单的驱动机构、超宽的变化范围、长期稳定性和高开关速度的可编程光学材料和器件是实现主动调控器件被广泛应用的必要条件。
发明内容
针对现有光谱辐射特性可调器件的调控幅度小并且调控稳定性差的问题，本发明提供一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器及其在热伪装中的应用方法。
本发明的一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，由周期性排布于硅基底上的多个正方形调控单体组成，多个正方形调控单体排布形成矩形阵列；
每个正方形调控单体为四层平面叠层结构，包括依次从下至上的银金属层、砷化镓介质中间层、非晶相In3SbTe2相变材料层和砷化镓介质顶层，
所述非晶相In3SbTe2相变材料层通过被激励源加热由中心开始向外围延伸形成圆柱形晶相In3SbTe2相变区间；圆柱形晶相In3SbTe2相变区间通过冷却由外围向中心转变为非晶相In3SbTe2相变材料层；
多个正方形调控单体按对应位置的光谱发射率目标值进行圆柱形晶相In3SbTe2相变区间范围的调整，实现红外热发射调控。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，所述银金属层的厚度至少为100纳米。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，银金属层的厚度为400纳米。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，正方形调控单体在中红外波段的透射率为0，光谱吸收率与反射率的和为1，光谱吸收率与光谱发射率相同。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，正方形调控单体的周期为1微米，砷化镓介质中间层的厚度为386纳米，砷化镓介质顶层的厚度为273纳米，非晶相In3SbTe2相变材料层的厚度为33纳米。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，银金属层、砷化镓介质中间层、非晶相In3SbTe2相变材料层和砷化镓介质顶层分别在硅基底上采用磁控溅射方法制备形成。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，调整所有正方形调控单体中晶相In3SbTe2相变区间的大小，获得的中红外平均发射率范围为0.02至0.96。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，正方形调控单体的入射光波长范围为3微米到5微米。
本发明还提供了一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器在热伪装中的应用方法，基于所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器实现，包括，
步骤一：采用傅里叶光谱仪采集被伪装环境背景和多个被伪装物的中红外3-5微米光谱发射率；
步骤二：根据被伪装环境背景和多个被伪装物的光谱发射率分别计算获得被伪装环境背景和多个被伪装物的辐射强度，由每个辐射强度计算获得对应的归一化辐射强度；
步骤三：由每一个归一化辐射强度反演得到对应的光谱发射率，再基于光谱发射率计算得到相应正方形调控单体中非晶相In3SbTe2相变材料层的相变区间；
步骤四：根据计算确定的相变区间，对对应位置的非晶相In3SbTe2相变材料层加热或对已形成的圆柱形晶相In3SbTe2相变区间进行冷却，使可编程红外热发射调控器实现红外热发射热伪装。
根据本发明的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器在热伪装中的应用方法，步骤二中，被伪装环境背景或被伪装物辐射强度I的计算方法为：
式中ε(λ)为采集的被伪装环境背景或被伪装物光谱发射率，T为被伪装环境背景或被伪装物温度，λmin为入射光初始波长，λmax为入射光截止波长，λ为正方形调控单体的入射光波长，c1为第一辐射常量，取值3.7419×10-16W·m2；c2为第二辐射常量，取值1.4388×10-2m·K；Iamb为环境辐射强度；
被伪装环境背景或被伪装物归一化辐射强度的计算方法为：
式中Inorm为被伪装环境背景或被伪装物的归一化辐射强度，Imin为被伪装环境背景和被伪装物的最小辐射强度；Imax为被伪装环境背景和被伪装物的最大辐射强度。
本发明的有益效果：本发明设计的基于In3SbTe2的可编程红外发射调控器，其结构简单，易于制备，利用磁控溅射设备及激光或电激励即可完成器件的制备和发射特性的调控。通过改变器件的相变区域大小，可以实现发射率从0.02到0.96的超宽范围发射率主动调控，具有调控幅度大及调控稳定性好的优势，赋予了发射率调控器件极大的主动性。
本发明为中红外发射特性的调控提供了一种很有前景的方法和平台，为后续可编程光调制器件的设计和应用提供了参考。
附图说明
图1是本发明所述基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器的正方形调控单体的结构示意图；
图2是非晶相In3SbTe2相变材料层中间形成圆柱形晶相In3SbTe2相变区间的示意图；
图3是本发明所述基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器的非晶相In3SbTe2相变材料层全为非晶相(aIST)及全为晶相(cIST)时，在正入射非偏振光下的红外光谱发射率模拟结果图；图中表示光谱发射率变化量，/>表示晶相平均发射率，/>表示非晶相平均发射率；
图4是通过激光或电激励调控圆柱形晶相In3SbTe2相变区间的半径范围时，可编程红外热发射调控器在不同晶相IST相变材料层半径时在3-5um波段内的光谱发射率ε的曲线图；图中I及Ⅱ为两个产生等离激元共振的波长区域；
图5是与图4对应的可编程红外热发射调控器在不同晶相IST相变材料层半径时在3-5um波段内的光谱平均发射率的示意图；
图6是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为400纳米时，入射光波长3.22um时的电场增强模拟结果；图中@3.22um表示对应3.22波长下；图中xy为圆柱形晶相In3SbTe2相变区间在空间坐标系下的横向和纵向坐标值；E为增强后电场强度，Einc为入射光电场强度；
图7是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为400纳米时，入射光波长3.22um时的磁场增强模拟结果；图中z为圆柱形晶相In3SbTe2相变区间在空间坐标系下的竖向坐标值；Hy为增强后y向磁场强度，Hinc为入射光磁场强度；
图8是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为400纳米时，入射光波长4.834um时的电场增强模拟结果；
图9是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为400纳米时，入射光波长4.834um时的磁场增强模拟结果；
图10是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为500纳米时，波长3.228um时的电场增强模拟结果；
图11是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为500纳米时，波长3.228um时的磁场增强模拟结果；
图12是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为500纳米时，波长4.346um时的电场增强模拟结果；
图13是当圆柱形晶相In3SbTe2相变区间半径为500纳米时，波长4.346um时的磁场增强模拟结果；
图14是具体实施例中，沙漠背景下，枫叶、贴覆在硅片上的聚氯乙烯薄膜和大理石的波长与光谱吸收率α的曲线图；图中Wavelength表示波长，Absorptance表示光谱吸收率，Maple leaf表示枫叶，Blue PVC film on silicon表示贴覆在硅片上的聚氯乙烯薄膜，Marble表示大理石；为大理石光谱平均发射率，/>为枫叶光谱平均发射率，/>为聚氯乙烯薄膜光谱平均发射率；
图15是具体实施例中，沙漠背景下，枫叶、贴覆在硅片上的聚氯乙烯薄膜和大理石的反射率的测量结果示意图；图中Desert表示沙漠；Rdesert表示沙漠反射率，RMaple leaf表示枫叶反射率，RMarble表示大理石反射率，RPVC表示聚氯乙烯薄膜反射率；
图16是根据图14的测量结果，按照图15所示的排布方式，所计算的在沙漠背景下布置的HIT图案的归一化辐射强度图像；
图17是采用本发明的可编程红外热发射调控器，对不同正方形调控单体进行反演得到对应区域的相变区间大小，进而得到的与图16相同的沙漠背景下HIT图案的归一化辐射强度图像，实现了热伪装效果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明提供了一种基于铟锑碲In3SbTe2的可编程红外热发射调控器，由周期性排布于硅基底上的多个正方形调控单体组成，多个正方形调控单体排布形成矩形阵列；
每个正方形调控单体为四层平面叠层结构，包括依次从下至上的银金属层1、砷化镓介质中间层2、非晶相In3SbTe2相变材料层4和砷化镓介质顶层3，
所述非晶相In3SbTe2相变材料层4通过被激励源加热由中心开始向外围延伸形成圆柱形晶相In3SbTe2相变区间5；圆柱形晶相In3SbTe2相变区间5通过冷却由外围向中心转变为非晶相In3SbTe2相变材料层4；
多个正方形调控单体按对应位置的光谱发射率目标值进行圆柱形晶相In3SbTe2相变区间5范围的调整，实现红外热发射调控。
中红外区域(3-5μm)是实现红外探测、光学伪装和热控制的最重要的大气窗口之一。非挥发性相变材料表现出稳定的性能与非晶态和晶态之间的巨大光学反差，体现出集成到中红外光学调制平台的巨大潜力。In3SbTe2(IST)作为非挥发性相变材料，可以在晶相(cIST)时体现出全红外区域具有巨大负介电常数的类金属特性，非晶相(aIST)时在红外区域作为无损介电介质，且能够通过激光或电激励实现非易失的局部相变，为开发连续调控、可编程、大变换程度的中红外发射率调控器件奠定了基础。
进一步，所述银金属层1的厚度至少为100纳米。
作为示例，银金属层1的厚度为400纳米。
再进一步，银金属层1的厚度远大于其在中红外波段的趋肤深度，保证正方形调控单体在中红外波段的透射率T为0，光谱吸收率α与反射率R的和为1，α+R＝1。光谱吸收率α与光谱发射率ε相同。
作为示例，正方形调控单体的周期为1微米，砷化镓介质中间层2的厚度为386纳米，砷化镓介质顶层3的厚度为273纳米，非晶相In3SbTe2相变材料层4的厚度为33纳米。
作为示例，银金属层1、砷化镓介质中间层2、非晶相In3SbTe2相变材料层4和砷化镓介质顶层3分别在硅基底上采用磁控溅射方法制备形成。
再进一步，调整所有正方形调控单体中晶相In3SbTe2相变区间5的大小，获得的中红外平均发射率范围为0.02至0.96，如图2所示，实现了巨大的中红外发射率切换。
由于结构对称性，正方形调控单体的入射光对偏振态没有要求，波长范围为3微米到5微米。
本实施方式中，通过激光或电激励施加在非晶相In3SbTe2相变材料层4时，能够在非晶相In3SbTe2相变材料层4产生圆柱形晶相In3SbTe2相变区间5，通过控制相变范围大小，能够实现调控器的中红外平均发射率从0.02(In3SbTe2层全为非晶相)连续调控到0.96(In3SbTe2层全为晶相)。同时，采用高功率激光或电激励将晶相In3SbTe2加热到熔融状态后迅速冷却，能将晶相In3SbTe2转变回非晶相In3SbTe2，实现可逆调控。
本实施方式中，调控器用于红外热发射热伪装时，每个正方形调控单体按对应位置的伪装目标的光谱发射率计算得到对应的相变区间，按相变区间大小分别调控不同的正方形调控单体，实现对伪装环境不同物体的热伪装。利用激光和电激励，可以在大面积范围内的不同区域制备相变范围大小不同的单元结构，实现不同区域范围内的中红外发射率根据实际环境需求进行可编程定制化调控。
结合图4至图13说明本发明的工作过程及原理：基于In3SbTe2非易失相变材料的可编程红外热发射调控器在工作时，通过激光或电激励施加在非晶相In3SbTe2层，产生圆柱形晶相In3SbTe2区间，晶相In3SbTe2区间在3-5微米的中红外波段相当于具有巨大的负折射率的类金属物质，在非偏振光正入射下可以在晶相In3SbTe2区间表面产生局域表面等离激元共振，共振区域如图4中I区域所示。同时，生成的晶相In3SbTe2区间与底层的银金属层相互耦合，形成F-P共振腔模式，共振区域如图4中Ⅱ区域所示。两种等离激元共振相互耦合作用，导致了发射率的调控的实现。
具体实施方式二、本发明还提供了一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器在热伪装中的应用方法，基于具体实施方式一所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器实现，包括，
步骤一：采用傅里叶光谱仪采集被伪装环境背景和多个被伪装物的中红外3-5微米光谱发射率；
步骤二：根据被伪装环境背景和多个被伪装物的光谱发射率分别计算获得被伪装环境背景和多个被伪装物的辐射强度，由每个辐射强度计算获得对应的归一化辐射强度；
步骤三：由每一个归一化辐射强度反演得到对应的光谱发射率，再基于光谱发射率计算得到相应正方形调控单体中非晶相In3SbTe2相变材料层4的相变区间；
步骤四：根据计算确定的相变区间，对对应位置的非晶相In3SbTe2相变材料层4加热或对已形成的圆柱形晶相In3SbTe2相变区间5进行冷却，使可编程红外热发射调控器实现红外热发射热伪装。
本实施方式中，归一化辐射强度也可以通过红外相机采集获得，通过归一化辐射强度利用遗传算法反演利用基于In3SbTe2非易失相变材料的可编程中红外发射率调控器件达到相应归一化辐射强度所需要的相变范围大小。再进行对应的局部相变，可实现中红外热伪装。
进一步，步骤二中，被伪装环境背景或被伪装物辐射强度I的计算方法为：
式中ε(λ)为采集的被伪装环境背景或被伪装物光谱发射率，T为被伪装环境背景或被伪装物温度，λmin为入射光初始波长，为3微米，λmax为入射光截止波长，为5厘米，λ为正方形调控单体的入射光波长，c1为第一辐射常量，取值3.7419×10-16W·m2；c2为第二辐射常量，取值1.4388×10-2m·K；Iamb为环境辐射强度；
被伪装环境背景或被伪装物归一化辐射强度的计算方法为：
式中Inorm为被伪装环境背景或被伪装物的归一化辐射强度，Imin为被伪装环境背景和被伪装物的最小辐射强度；Imax为被伪装环境背景和被伪装物的最大辐射强度。
具体实施例：
首先采用傅里叶光谱仪测量大理石，枫叶及贴覆在硅片上的聚氯乙烯薄膜的3-5微米中红外发射率，所有测量物均在测量中贴附了银基底，结果如图14和图15所示。
根据测量的结果，在沙漠背景下(平均发射率为0.9)布置了如图16所示的HIT图案，并计算了在该情况下的归一化辐射强度，结果如图17所示。由于红外相机天然具有的归一化属性，该归一化辐射强度与红外相机所拍摄的红外辐射特性相当。
根据计算的归一化辐射强度，利用遗传算法进行反演计算，优化不同调控单体内的相变区域半径，使不同调控单体内体现出对应的红外辐射特性，示意图如图16所示。
通过优化，当Rdesert，RMaple leaf，RPVC，RMarble分别为461纳米，475纳米，419纳米及434纳米时，能够体现出相应物体相同的归一化辐射强度，即能够在红外相机中体现出相同的红外图像，如图17所示，由此实现红外伪装的可编程定制化功能。表1为归一化辐射强度的实际结果、反演结果及反演得到的相变区间半径值：
表1
表1表明，本发明方法中反演得到的归一化辐射强度反演结果与实际结果之间拟合较好。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (5)
1.一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，其特征在于，由周期性排布于硅基底上的多个正方形调控单体组成，多个正方形调控单体排布形成矩形阵列；
每个正方形调控单体为四层平面叠层结构，包括依次从下至上的银金属层(1)、砷化镓介质中间层(2)、非晶相In3SbTe2相变材料层(4)和砷化镓介质顶层(3)，
所述非晶相In3SbTe2相变材料层(4)通过被激励源加热由中心开始向外围延伸形成圆柱形晶相In3SbTe2相变区间(5)；圆柱形晶相In3SbTe2相变区间(5)通过冷却由外围向中心转变为非晶相In3SbTe2相变材料层(4)；
多个正方形调控单体按对应位置的光谱发射率目标值进行圆柱形晶相In3SbTe2相变区间(5)范围的调整，实现红外热发射调控；
所述银金属层(1)的厚度至少为100纳米；
正方形调控单体在中红外波段的透射率为0，光谱吸收率与反射率的和为1，光谱吸收率与光谱发射率相同；
调整所有正方形调控单体中圆柱形晶相In3SbTe2相变区间(5)的大小，获得的中红外平均发射率范围为0.02至0.96；
正方形调控单体的入射光波长范围为3微米到5微米。
2.根据权利要求1所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，其特征在于，
银金属层(1)的厚度为400纳米。
3.根据权利要求1所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，其特征在于，
正方形调控单体的周期为1微米，砷化镓介质中间层(2)的厚度为386纳米，砷化镓介质顶层(3)的厚度为273纳米，非晶相In3SbTe2相变材料层(4)的厚度为33纳米。
4.根据权利要求1所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器，其特征在于，银金属层(1)、砷化镓介质中间层(2)、非晶相In3SbTe2相变材料层(4)和砷化镓介质顶层(3)分别在硅基底上采用磁控溅射方法制备形成。
5.一种基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器在热伪装中的应用方法，其特征在于，基于权利要求1至4中任一项所述的基于铟锑碲的可编程红外热发射调控器实现，其特征在于包括，
步骤一：采用傅里叶光谱仪采集被伪装环境背景和多个被伪装物的中红外3-5微米光谱发射率；
步骤二：根据被伪装环境背景和多个被伪装物的光谱发射率分别计算获得被伪装环境背景和多个被伪装物的辐射强度，由每个辐射强度计算获得对应的归一化辐射强度；
步骤三：由每一个归一化辐射强度反演得到对应的光谱发射率，再基于光谱发射率计算得到相应正方形调控单体中非晶相In3SbTe2相变材料层(4)的相变区间；
步骤四：根据计算确定的相变区间，对对应位置的非晶相In3SbTe2相变材料层(4)加热或对已形成的圆柱形晶相In3SbTe2相变区间(5)进行冷却，使可编程红外热发射调控器实现红外热发射热伪装；
步骤二中，被伪装环境背景或被伪装物辐射强度I的计算方法为：
式中ε(λ)为采集的被伪装环境背景或被伪装物光谱发射率，T为被伪装环境背景或被伪装物温度，λmin为入射光初始波长，λmax为入射光截止波长，λ为正方形调控单体的入射光波长，c1为第一辐射常量，取值3.7419×10-16W·m2；c2为第二辐射常量，取值1.4388×10- 2m·K；Iamb为环境辐射强度；
被伪装环境背景或被伪装物归一化辐射强度的计算方法为：
式中Inorm为被伪装环境背景或被伪装物的归一化辐射强度，Imin为被伪装环境背景和被伪装物的最小辐射强度；Imax为被伪装环境背景和被伪装物的最大辐射强度。
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