CN116632553B - 一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，包括多个周期性排列的结构单元，每个各结构单元均由包括透明介质基板、网栅透明谐振结构和开孔型网栅透明频率选择表面，所述网栅透明谐振结构深刻蚀到所述透明介质基板上表面，所述开孔型网栅透明频率选择表面深刻蚀到所述透明介质基板的下表面，且呈N×N个周期性排列。本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，提供了一种集光学透明、微波宽带吸收、电磁屏蔽、电磁隧穿和环境适应性等多功能一体化的光学窗口。
Description
技术领域
本发明属于光学窗技术领域，具体涉及一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口。
背景技术
光学窗口是飞行器光学窗口、精密医疗设备观察窗、超精细监控设备观察窗口等对外进行光电探测的必要信息通道，应用环境需要其具有优异的可见及红外光学透明性。然而，这种高透明性要求同样也会使得电磁波通过光学窗口进入设备及仪器内部，对其内部精密光电仪器的运行产生干扰，更会对飞行器等武器装备的整体隐身性能造成破坏。为了消除这些负面影响，需要对光学窗口进行电磁屏蔽处理，最常用的技术手段是在光学窗口表面制备周期性的金属网栅来反射掉入射电磁波，但这种方式会将电磁波重新反射回自由空间中，进而造成二次电磁辐射污染，使得空间电磁环境复杂化。因此，具有宽带电磁吸收功能的电磁屏蔽光学窗口的研制势在必行。
此外，随着未来战场中对抗手段的升级演变，多模、多谱段制导与探测技术的发展与装备已成为必然趋势，光学窗口不仅仅需要宽带电磁吸收与屏蔽功能，多模式精密探测仪器对光学窗口的综合性能提出了更高更多的要求：在可见及红外波段具有优异的光学透过率，满足光学成像与探测需求；在雷达波段（1-18 GHz）具有强电磁屏蔽效能，并能在宽波段范围内实现强电磁吸收，维持窗口电磁隐身和电磁屏蔽性能；在高频微波制导波段（如35GHz附近）具有带通隧穿性能，满足微波制导信号的通过；具有优异的耐风雨砂石侵蚀、耐磨性、耐候性、耐久性等环境适应性，满足恶劣复杂使役环境应用需求。
近年来发展的超材料，为研制集光学透明、微波宽带吸收、电磁屏蔽、电磁隧穿和环境适应性等多功能一体化的光学窗口提供了新的设计思路。超材料（metamaterial）是一种由周期性亚波长结构单元组成的人工材料，可通过引入电谐振和磁谐振可以大幅调节介电常数和磁导率，进而实现诸多奇异物理性质。为了实现电磁吸收与电磁透过一体化，目前研究者们采用超材料谐振结构与频率选择表面结合的方式，例如中国实用新型专利CN217641793U、中国发明专利CN114421175A及中国发明专利CN114361806A等。然而这些吸透一体化超材料均由非光学透明的导电材料及介质基板构成，整个结构在可见和红外光学波段是不透明的，这就限制了它们在光学窗口领域的进一步应用；吸收波段与透过波段之间的跨度也不大，无法实现强电磁屏蔽性能。
中国专利CN114865334A，申请公布日2022-08-05，公开了一种基于金属细线的透明低损耗吸透一体化频率选择表面，采用金属细线作为导电材料，透明介质和空气层结合作为介质基板支撑，同时实现了光学透明、电磁吸收与透过。但该透明吸透一体化频率选择表面采用多层结构堆积，而且还有空气层的存在，非一体成型，会由于多层结构间折射率的不同造成光学干涉效应，进而造成光学透过率的下降。而且，面向实际恶劣环境应用中，该结构的耐久性、耐风雨砂石侵蚀等环境适应性还存在一定的问题，无法满足长期应用需求。
因此，如何解决现有技术的问题，且提供一种实现集光学透明、微波宽带吸收、电磁屏蔽、电磁隧穿和优异环境适应性等多功能一体化的光学窗口是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种集光学透明、微波宽带吸收、电磁屏蔽、电磁隧穿和环境适应性等多功能一体化的光学窗口。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于，包括多个周期性排列的结构单元，各结构单元包括透明介质基板、网栅透明谐振结构和开孔型网栅透明频率选择表面，所述网栅透明谐振结构深刻蚀到所述透明介质基板上表面，所述开孔型网栅透明频率选择表面深刻蚀到所述透明介质基板的下表面，且呈N×N个周期性排列；
所述网栅透明谐振结构由若干同心的方形开口环呈周期性排列构成，同心的方形开口环由同心分布的若干个方形开口环构成，所述方形开口环由第一微金属网栅呈开口方环环绕形成，所述第一微金属网栅为金属周期网栅，
所述开孔型网栅透明频率选择表面包括第二透明网栅层和第二周期开孔阵列，所述第二透明网栅层为金属周期网栅，所述第二周期开孔阵列包括若干十字型开孔环，各十字型开孔环呈周期性分布在第二透明网栅层，
所述第二周期开孔阵列的周期小于所述同心的方形开口环的周期。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述方形开口环设置二个，方形开口环的开口数量有为4个，各开口呈对称分布且各开口位置以45°角度相互交错，开口的边长为第一微金属网栅周期的整数倍，各开口相同设置，且各个同心方形开口环的开口位置以45°角度相互交错。
作为本发明的优选技术方案：所述的第一微金属网栅的金属周期网栅形状选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述的第一微金属网栅的周期取值P1范围为200-350 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述的第一微金属网栅的材料选用金，所述的第一微金属网栅的金属厚度取值范围在40-100 nm。
作为本发明的优选技术方案：所述的第二微金属网栅的金属周期网栅形状选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述的第二微金属网栅的周期P2取值范围为100-200 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述的第二微金属网栅的材料选用金，所述的第一第二金属网栅的金属厚度取值范围在200-800 nm。
作为本发明的优选技术方案：所述的N的取值范围为2-6，取的整数。
作为本发明的优选技术方案：所述透明介质基板的材质为石英玻璃、红外玻璃、硫化锌、透明陶瓷、蓝宝石和尖晶石等硬质光学材料中的一种或者几种。
作为本发明的优选技术方案：所述网栅透明谐振图案和所述的网栅透明频率选择表面均采用飞秒激光直写加工技术或准分子加工技术直接深刻蚀在所述透明介质基板的上下表面，一体成型。
本发明具有以下有益效果：本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，所述的超材料光学窗口包括多个周期性排列的结构单元，且每个结构单元均由透明介质基板、深刻蚀到所述透明介质基板上表面的网栅透明谐振结构、以及深刻蚀到所述透明介质基板下表面的N×N个周期性排列的开孔型网栅透明频率选择表面组成。本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口将超材料吸波器与带通频率选择表面相结合，将传统超材料吸波器底层的金属反射层替换为光学透明的开孔型网栅透明频率选择表面，上表面的网栅透明谐振结构周期相当于雷达波波段（1-18 GHz）波长的三分之一到四分之一，当雷达波波段入射到上表面的网栅透明谐振结构时，在响应频点处产生电磁谐振作用，进而实现了网栅透明谐振结构与自由空间的阻抗匹配左右，使得入射波几乎无反射进入超材料光学窗内部。又由于下表面的开孔型网栅透明频率选择表面的周期小于网栅透明谐振结构的周期，会对入射到超材料光学窗内部的雷达波段的电磁波产生拦截屏蔽作用，如此入射的电磁波会在超材料光窗内部多次来回反射，进而被转化欧姆损耗或介质损耗而耗散掉。下表面的开孔型网栅透明频率选择表面是在周期性金属网栅上开孔的，因此其在所响应波段具有电磁隧穿功能，而在非电磁响应波段具有电磁屏蔽作用。由于开孔型网栅透明频率选择表面的周期小于网栅透明谐振结构，相对网栅透明谐振结构所响应的雷达波波段来说其所对应的电磁隧穿波段主要是在高频电磁波段，所响应波段的电磁波会很轻易穿过上表面的网栅透明谐振结构，直接与开孔型网栅透明频率选择表面产生电磁耦合作用。本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，根据实际电磁吸收、电磁屏蔽与电磁隧穿的需求，合理选择谐振层和底层频率选择表面的周期、尺寸等结构参数，可通过电磁谐振耦合作用，实现在微波波段的低频宽带吸收、电磁屏蔽和高频带通透波等多功能。
本发明在雷达微波波段（1-18 GHz）具有优异的宽带电磁吸收和强电磁屏蔽性能，吸收率可达到90%以上，并在高频微波制导波段具有良好的电磁隧穿性能，同时本发明在可见及红外光学波段能够保持优异的光学透过率，填补当前技术空白，可满足光电探测、多模复合制导等需求，在隐身天线罩、多模复合制导窗口和电磁屏蔽光学窗口等领域具有很高的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的示意图；
图2为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的侧视图；
图3为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的单个结构单元三维示意图；
图4为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的单个结构单元上层的网栅透明谐振结构示意图；
图5为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的第一微金属网栅结构示意图；
图6为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的单个结构单元底层的N×N个周期性排列的开孔型网栅透明频率选择表面示意图；
图7为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的单个开孔型网栅透明频率选择表面示意图；
图8为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的第二微金属网栅结构示意图；
图9为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口在入射电磁波正入射时低频吸收率仿真结果；
图10为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口在入射电磁波正入射时低频电磁屏蔽效能仿真结果；
图11为本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口在入射电磁波正入射时高频电磁透过率仿真结果；
附图中，网栅透明谐振结构1；透明介质基板2；开孔型网栅透明频率选择表面3。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗，其特征在于，包括多个周期性排列的结构单元，各结构单元包括透明介质基板、网栅透明谐振结构和开孔型网栅透明频率选择表面，所述网栅透明谐振结构深刻蚀到所述透明介质基板上表面，所述开孔型网栅透明频率选择表面深刻蚀到所述透明介质基板的下表面，且呈N×N个周期性排列；
所述网栅透明谐振结构包括若干同心的方形开口环，同心的方形开口环由同心分布的若干个方形开口环构成，所述方形开口环由第一微金属网栅呈开口方环环绕形成，所述第一微金属网栅为金属周期网栅，内侧方形开口环的边长L1、外侧方形开口环的边长L2、开口的宽度W1及方形开口环的宽度W2均为第一微金属网栅周期P1的整数倍。
所述开孔型网栅透明频率选择表面包括第二透明网栅层和第二周期开孔阵列，所述第二透明网栅层为金属周期网栅，所述第二周期开孔阵列由周期分布的十字环状开孔构成，其中，所述十字环状开孔的内环长为a1、宽b1，外环长a2，宽b2均为第二微金属网栅周期P2的整数倍。
所述第二周期开孔阵列的周期小于所述方形开口环的周期。
本发明所称的微金属网栅是周期为数百微米，线宽数微米的网栅结构。
所述方形开口环设置二个，方形开口环的开口有4个，各开口对称分布且各开口位置以45°角度相互交错，各开口相同设置，开口的宽度为第一微金属网栅周期的整数倍。
所述的第一微金属网栅的金属周期网栅选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述的第一微金属网栅的周期取值P1范围为200-350 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述的第一微金属网栅的材料选用金，所述的第一微金属网栅的金属厚度取值范围在40-100 nm，以实现网栅透明谐振结构保持较大的方阻。
所述的第二微金属网栅的金属周期网栅选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述的第二微金属网栅的周期P2取值范围为100-200 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述的第二微金属网栅的材料选用金，所述的第二金属网栅的金属厚度取值范围在200-800 nm，以实现开孔型网栅透明频率选择表面的开孔阵列保持较小的方阻。
所述N的取值范围为2-6的整数。
所述透明介质基板的材质为石英玻璃、红外玻璃、硫化锌、透明陶瓷、蓝宝石和尖晶石等硬质光学材料中的一种或者几种。
所述网栅透明谐振图案和所述的网栅透明频率选择表面均采用飞秒激光直写加工技术或准分子加工技术直接深刻蚀在所述透明介质基板的上下表面，一体成型。
与现有技术相比，本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口具有以下优势：
1）与传统的吸透一体化超材料相比，本发明单个结构单元底层由多个带通频率选择表面构成，在实现高频波段电磁隧穿性能的同时，在低频雷达波段还能维持优异的宽带电磁吸收和屏蔽性能，电磁吸收频带和电磁隧穿频带之间跨度大，解决了电磁屏蔽效能和电磁隧穿性能不可兼得的难题。
2）与传统的吸透一体化超材料相比，本发明采用低占空比的微金属网栅和透明介质基板来组成超材料光学窗口，在可见及红外波段具有优异的光学透过性，解决了传统吸透一体化超材料不透明或透光性能差的难题，可满足精密光电仪器光学窗口成像与探测需求。
3）本发明采用飞秒激光直写加工技术或准分子加工技术，直接在硬质高透明介质基板上下表面深刻蚀网栅谐振图案和网栅频率选择表面，避免了传统多层结构带来的光学损耗问题和环境适应性问题；且采用不易氧化的金作为导电材料，在膜层牢固度、耐风雨砂石侵蚀、耐盐雾腐蚀等方面均表面优异，可满足实际恶劣复杂环境的应用需求。
本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，填补当前技术空白，实现雷达波段（1-18 GHz）的宽波段电磁吸收、电磁屏蔽、高频微波制导波段电磁隧穿功能，同时在可见及红外光学波段维持高光学透明性。
实施例1
为实现集光学透明、微波宽带吸收、电磁屏蔽、电磁隧穿和环境适应性等多功能一体化的光学窗口，本发明提供了一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，包括多个周期性排列的结构单元。
如图1所示，本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口的示意图。本实施 例中，每个结构单元均由透明介质基板2、深刻蚀到所述透明介质基板上表面的网栅透明谐振结构1、以及深刻蚀到所述透明介质基板下表面的4×4个周期性排列的开孔型网栅透明频率选择表面3组成，如图2和图3所示。所述的网栅透明谐振结构1对应的图案为由相互连接的第一微金属网栅构成的两个边长不同的同心方形开口环，开口数量为4个，呈四重中心对称分布，内外环开口位置以45°角度相互交错，如图4所示；所述的开孔型网栅透明频率选择表面3为在相互连接的第二微金属网栅上的十字环状开孔图案，如图6和7所示。所述透明介质基板2为高光学透明的石英玻璃。所述网栅透明谐振结构1和开孔型网栅透明频率选择表面3均采用飞秒激光直写加工技术或准分子激光加工技术深刻蚀在所述透明介质基板2的上下表面内，这使得其在实际应用中难以被剐蹭掉，且第一微金属网栅和第二金属网栅所用的金属材料均为不易氧化的金，进而使其具有优异的膜层牢固度、耐盐雾腐蚀、耐用性和耐候性等恶劣环境适应性。
本发明的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口是基于超材料电磁谐振吸收与频率选择表面电磁响应的原理。网栅透明谐振结构1的作用主要是在低频雷达波段与入射电磁波产生电磁谐振作用，实现与自由空间的阻抗匹配条件，进而实现宽带电磁吸收。开孔型网栅透明频率选择表面3的作用主要是在高频电磁响应波段产生电磁隧穿，而非电磁响应波段具有电磁屏蔽作用，由于开孔型网栅透明频率选择表面3的周期小于网栅透明谐振结构1，相对网栅透明谐振结构1所响应的波段来说其所对应的电磁隧穿波段主要是在高频电磁波段。通过合理设计网栅透明谐振结构1的周期、方形环的数量、边长、环的宽度、开口大小、透明介质基板2的材料种类、厚度、孔型网栅透明频率选择表面3的周期、十字环状结构的几何参数、第一微金属网栅和第二微金属网栅的周期、线宽、所用金属材料的电导率、厚度、方阻等，进而实现在低频不同波段处的宽带电磁吸收、屏蔽性能，以及高频不同波段处的电磁隧穿性能。
如图3所示，低频宽带吸波、屏蔽和高频透波的超材料光学窗口的单个结构单元为正方形，令结构单元的边长为p，透明介质基板2为石英玻璃，厚度为h，介电常数为3.7-j0.001。网栅透明谐振结构1的示意图如图4所示，两个方形环的开口数量均为4个，呈四重中心对称分布，且内外环的开口位置以45°角度相互交错，令开口的宽度为w1，外部方形环的边长为L1，内部方形环的边长为L2，内外环的宽度均为w2。构成网栅透明谐振结构1的第一微金属网栅的示意图如图5所示，令网栅周期为p1，线宽为d1，金属材料选用金，电导率为4.5×107 S/m，厚度为t1。其中L1，L2，w1，w2均为p1的整数倍。单个开孔型网栅透明频率选择表面3的示意图如图7所示，其单个结构单元也为正方形，令透明频率选择表面3的边长为a，十字环的外环长为a1，宽为b1，外环长为a2，宽为b2。构成开孔型网栅透明频率选择表面3的第二金属网栅的示意图如图8所示，令网栅周期为p2，线宽为d2，金属材料选用金，电导率为4.5×107 S/m，厚度为t2。其中a，a1，b1，a2，b2均为p2的整数倍。经优化，本实例中的各项参数具体设置如下p=15.6 mm，h=4 mm，L1=13.5 mm，L2=12.5 mm，w1=0.5 mm，w2=0.5 mm，p1=250 μm，d1=6 μm，t1=80 nm，a=3.9 mm，a1=2.7 mm，b1=1.2 mm，a2=1.8 mm，b2=0.3 mm，p2=150 μm，d2=6μm，t2=650 nm。如图9所示，在正入射条件下，该超材料光学窗口在5.0-11.8 GHz处实现了宽带吸收，吸收率达到了90%以上。如图10所示，该超材料光学窗口在1-18 GHz处电磁屏蔽效能均达到15 dB以上。如图11所示，该超材料光学窗口在34 GHz处电磁透过率达到60%以上。另外，由于微金属网栅具有较高的占空比，且透明介质基板采用高可见及红外光学透明的硬质材料，因此该超材料光学窗口在在可见光及近红外波段能够维持较高的光学透过率，满足光学成像需求。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：包括多个周期性排列的结构单元，各结构单元包括透明介质基板、网栅透明谐振结构和开孔型网栅透明频率选择表面，所述网栅透明谐振结构深刻蚀到所述透明介质基板上表面，所述开孔型网栅透明频率选择表面深刻蚀到所述透明介质基板的下表面，且呈N×N个周期性排列；
所述网栅透明谐振结构包括若干同心的方形开口环，同心的方形开口环由二个边长不同的方形开口环同心设置，每个方形开口环的开口有4个，各开口的宽度相同设置，各开口呈四重中心对称分布且内外环开口位置以45°角度相互交错，所述方形开口环由第一微金属网栅呈开口方环环绕形成，所述第一微金属网栅为金属周期网栅，
所述开孔型网栅透明频率选择表面包括第二透明网栅层和第二周期开孔阵列，所述第二透明网栅层为金属周期网栅，所述第二周期开孔阵列包括若干十字型开孔环，各十字型开孔环呈周期性分布在第二透明网栅层，
所述第二周期开孔阵列的周期小于所述同心的方形开口环的周期。
2. 如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述第一微金属网栅的金属周期网栅选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述第一微金属网栅的周期P1范围为200-350 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述第一微金属网栅的材料选用金，所述第一微金属网栅的金属厚度取值范围在40-100 nm。
3.如权利要求2所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述第一微金属网栅的金属周期网栅选择方格形，各方形开口环的边长L1或L2、开口的宽度W1及方形开口环的宽度W2均为第一微金属网栅周期P1的整数倍。
4. 如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述第二透明网栅层的金属周期网栅选择方格形、圆形或正六边形中的一种或多种，所述第二透明网栅层的周期P2取值范围为100-200 μm，线宽取值范围为4-10 μm，所述第二透明网栅层的材料选用金，所述第二透明网栅层的金属厚度取值范围在200-800 nm。
5.如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述十字型开孔环的内环长为a1、宽b1，外环长a2，宽b2均为第二透明网栅层周期P2的整数倍。
6.如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述N的取值范围为2-6的整数。
7.如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述透明介质基板的材质为石英玻璃、红外玻璃、硫化锌、透明陶瓷、蓝宝石和尖晶石中的一种或者几种。
8.如权利要求1所述的一种低频吸收屏蔽、高频带通的超材料光学窗口，其特征在于：所述网栅透明谐振图案和所述的网栅透明频率选择表面均采用飞秒激光直写加工技术或准分子加工技术直接深刻蚀在所述透明介质基板的上表面或下表面。
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