利用伪装色实现多波段红外隐身的超表面.docx

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1、利用伪装色实现多波段红外隐身的超表面目录1 .研究背景12 .研究内容13 .结论与展望61 .研究背景随着红外隐身技术的发展，未来多波段隐身技术的发展将覆盖从可见光到大范围红外的整个光学频率范围，这是无人监视系统面临的关键挑战。为了解决中波红外(MW1R)和长波红外(1W1R)波段的低可观测性问题，基于等离子体超表面的概念，人们提出了各种类型的频率选择器件，通过控制光谱特性的可调谐性来避开红外探测器的可探测范围。利用各种光学器件概念，积极开展光学隐身技术在多红外波段应用扩展的研究。除了迷彩图案印刷，亚波长纳米结构的结构色滤光片已被广泛研究以激发光子或等离子体共振模式。尽管最近己经开展了关于介

2、质多层结构的开创性研究，以实现宽带性能，但由于难以实现高窄带吸收性能一一用于制导激光和可见伪装图案打印，其应用仍然有限。2 .研究内容对于多波段红外隐身技术，需要具备以下功能：1)在近红外和短波红外(SWIR)中具有较高的吸收率；2)MWIR和1WIR区域热辐射较低。具有金属绝缘金属(M1M)几何结构的间隙等离子体超表面因其共振可调谐性和基于局域表面等离子体共振(1SPR)和表面晶格共振的高频选择性而被广泛应用。如果只考虑间隙等离子体或晶格耦合，M1M超表面的光谱范围有限，只允许有限数量的共振模式。然而，通过在金属层之间使用半导体带隙材料，使其在IR范围内透明，而在可见光范围内不透明，可以增加

3、金属一半导体-金属(MSM)超表面的共振模式数量。图1说明了本文提出的由磁盘谐振器组成的MSM超表面，这种结构可以显著地扩展超表面的光谱范围，这对多光谱工程是有利的。由于Ge半导体层在可见光和近红外范围内变得不透明，因此可以在半导体层上的周期性金属圆盘图案中激发局域表面等离激元共振(1SPR),而不需要考虑整个MSM结构。因此，作者提出在错半导体层上利用具有周期性纳米级金属圆盘图案的超表面来实现彩色像素。通过在可见光谱中设计的反射率，超表面呈现出亚波长尺度像素大小的彩色。图2a为1SPR条件下的光功率分布，得到了最大的光谱吸收率。在可见频率下，光能不能通过Ge层传递到底层金属表面，1SPR主要

4、在A1盘被激活。在近红外光谱范围内，错/银多层膜通过FP破坏性干涉条件引起吸收。与Ge电导率有限的近红外范围相比，Ge层在SWIR范围内成为无损材料，实现了MSM结构中的间隙等离子体模式。通过设计不同几何尺寸的铝圆盘的1SPR条件，作者展示了从红色到绿色和蓝色的各种颜色。图2d给出了通过对反射光谱的数值计算得到的不同圆盘半径和填充因子下的颜色分布，随着圆盘半径的增加，导致1SPR波长的红移，估计的颜色从红色变为蓝色和绿色。通过抑制短波长的光反射，由小圆盘半径组成的超表面反射波长较长的光，产生绿色或红色。图2e显示了不同Ge厚度的MSM结构的吸收光谱，即使在纳米级光学厚度下，也能满足破坏性干涉，

5、较大的Ge厚度会导致共振的红移。图2f给出了SWIR范围内MSM超表面的吸收光谱计算结果，由于呈现蓝色的结构比其他颜色的结构具有更大的半径，因此在较长的波长范围内观察到间隙等离子体共振。图2MSM超表面多共振模式的计算。接下来作者研究了MSM结构上产生颜色的多样性。对于低可观测性的可见监视系统，需要MSM表面生成与周围环境相融合的伪装图案。为了模仿伪装图案，作者首先使用MSM结构制作了一个调色板，以确定生成的颜色范围，并选择在伪装图案中使用所需的颜色。图3a显示了不同半径和填充因子A1圆盘图案的彩色像素的光学显微镜图像，衬底的倍层厚度为35nm,可吸收波长为1.06m的光，在激光制导探测器下具

6、有较低的可观测性。作者利用金属图案半导体层上的等离子体共振效应，通过控制填充因子和圆形圆盘的半径来显示颜色，打印出迷彩图案。如图3b,为了生成像拼图一样的伪装图案，作者采用了四种不同填充因子和圆盘半径组合的颜色，同时，图3c中的迷彩图案为淡黄色，是为干旱地区设计的。图(3d)显示了各种MSM测量面在从近红外到1WIR的广泛红外光谱范围内呈现出不同颜色的FTIR光谱。在较宽的红外光谱范围内，光谱吸收系数和波段辐射系数的变化表明了主要的隐身性能参数。图3伪装图案印刷在MSM超表面和FTIR光谱。最后，作者定量分析了MSM超表面的红外隐身性能，红外隐身技术的关键技术之一是降低红外信号在MWIR和1W

7、IR图像中的识别率。为了评估MSM超表面与其他材料的红外特征，作者将MSM超表面的红外特征归一化为黑体的红外特征，定义为红外特征的还原率。如图4d所示，通过测量的FT1R光谱计算还原率，MWIR图像的还原率较温度范围下降了94.4%以上，且随着温度的3 升高，还原率略有下降。对于1WIR图像，估计降低率超过97.7%,并且在温度范围内几乎不变。4 .结论与展望总之，本文提出了一种新的光学隐身材料平台，利用多共振模式的MSM超表面实现大光谱范围的隐身技术。成功地证明了MSM结构的能力，以扩大超表面的潜在应用。用MSM超表面演示了包含各种颜色的颜色托盘，并使用实现的不同颜色像素打印伪装图案。在红外隐身技术方面，1.06m处的吸收峰大于92%,可以降低红外激光制导探测器攻击军事目标的反射激光信号。此外，等离子体共振在SWiR范围内可以降低34%的信号，使红外图像退化。为了应对MWIR和1W1R成像制导的监视系统，MSM超表面在MWIR和1W1R波长范围内的发射率分别小于0.05和0.01o基于MSM超表面对热辐射的降低，定量评估了MWIR和1WIR在300。C温度范围内的红外隐身性能，获得了分别超过94.4%和97.7%的信号衰减。这项工作中提出的隐身材料由于其被动材料平台，在实际应用中是稳健的。为了进一步实现其实际应用，需要对大尺寸器件的制造工艺进行研究。