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(MWlR)和长波红外(LWlR)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

2、 开展了关于介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LWIR区域热辐射较低。具有金属绝缘金属(MlM)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(LSPR)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，MlM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

3、光范围内不透明，可以增加金属一半导体-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。Camouflage patternin visibleInfrared stealthin NIR & SWIRInfrared stealthin MWIR & LWIR0.38 m0.75 m3.00 m14.00 mColorAbsorption ofSuppression ofgenerationNIR &SWIRThermal radiation图1 MSM结构在可见光和宽频带红外隐身中的

4、伪装图案。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(LSPR),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LSPR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，LSPR主要在Al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

5、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LSPR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LSPR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，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

6、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。At . Blue =0.57m generationWai - lR= 185 nm ；Ag NO 8uplingAt . Blue =0.57m generation Wai - tilR= 185 nm ；Ag NO 8upling-2520252 -2830x nmx mj375AtAbsorption of 1.06 m=1.06min NIR rangeR = 145 nmAtGreen=0.60m . generation f Al -二 I ,R = 175m fGe 一 J 二、一 Ag NO 8upling A

7、t =2.1mAl R = 145 nmGe CouplingO 230 -2830 (nm nm0.30.40.50.60.7Chromaticity coordinate X8 7 6 5 4 3 2 o.ao.0 。 0 Ci AsPJOoO 专 neojos d2.93.74.5Wavelength mo6o4o2o 一求】XjlMdJOSqV0 345 7 8 9 10Wavelength (ml8 6 4 2 o.o.o.o 【=l0.2图2 MSM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

8、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 Al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35 nm,可吸收 波长为1.06 m的光，在激光制导探测器下具有较低的可观测性。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

9、到 LWIR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LWIR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FTlR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，且随着温度的升高，还原率略有下降。对于LWIR图像，估

10、计降低率超过97.7%,并且在温度 范围内几乎不变。b50C 300Visible250 cC300C150200 oCIooPMWIRLWIRTrCl3d ooMWlR LWIR-O Black paint J-D - MSM surface xg,卵9694【】J9211019027030110190Temperature ,CJTemperature (,C图4用MSM超表面和黑色涂料印制的正方形的可见和红外图像。3 .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M

11、SM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LWlR成像制导的监视系统，MSM超表面在MWIR和LWlR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LWIR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。