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简析基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展

作者:2017-01-17 16:04文章来源:未知
  0引言
  红外隐身技术是指通过降低和改变目标的红外辐射特性,从而控制目标的红外辐射特征,实现目标的低可探测性。
  热红外探测器工作波段主要在3~5μm和8~14μm,其中红外制导导弹工作在中红外波段,而红外热像仪主要是利用目标与背景的红外辐射特性差异来获得目标的红外图像信息,工作波段为8~14μm.红外探测器主要通过目标自身的红外辐射来发现和识别目标。根据这个特点,可采用改变己方的红外辐射波段至对方红外探测器的工作波段之外,使对方的红外探测器探测不到己方的红外辐射。或者通过改变目标的红外辐射分布状态,使目标与背景的红外辐射分布状态相协调,从而使目标的红外图像成为整个背景红外辐射图像的一部分。利用禁带处于红外探测器工作波段的光子晶体可以实现这些目的。
  1光子晶体基本特性
  光子晶体是超材料的一种,它是指介电常数(或折射率)在空间周期性分布而具有光子禁带的特殊材料。在光子禁带中,光子态密度消失,导致电磁波无法传播;而在光子通带内,光子态密度出现振荡,并导致光子晶体中出现透射共振。通过对构成光子晶体的材料组成、有效折射率、晶格参数等进行合理的设计,可以人为地制备出具有特定波段光子禁带的光子晶体。在禁带中心处于可见光波段的光子晶体材料中引入刺激响应性材料,可以实现材料的结构色肉眼可辨的变化,而禁带处于红外波段的光子晶体材料则可以实现对红外辐射特性的抑制和改变,将其与响应性材料结合能够得到对外界刺激做出适应性响应的智能材料。
  光子晶体的另一个重要特性是光子局域。若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷态,与之频率相对应的光子就被局域在缺陷态中,偏离缺陷态就会被强烈散射,可以通过在光子晶体中引入缺陷,实现相应波段辐射特性的增强。
  光子晶体能够在禁带内实现对入射电磁波的高反射,可以操纵内部光源的红外发射特性,进而抑制相应波段的红外辐射能量,使红外探测装置探测不到。光子晶体能够改变目标的红外辐射特性,通过合理的设计,使目标的红外辐射特征与背景相近,从而实现红外波段隐身。而变折射率的光子晶体红外隐身材料甚至能够通过模块化设计,动态地将目标的红外辐射特征与所在环境相匹配,能够极大地提高动态隐身效果和实用化的进程。
  由于光子晶体的这些独特性质,使其在红外辐射特性的调控、宽频隐身、自适应隐身方面具有普通红外隐身材料难以比拟的优势,本文将从以上几个方面介绍国内外光子晶体红外隐身材料的研究进展。
  2光子晶体红外隐身材料的研究进展
  2.1光子晶体应用于红外辐射特性的调控
  自从Yablonovitch和John提出光子晶体和光子局域的概念以来,研究人员在研发辐射特性可控的光子晶体材料上投入了大量的工作,所取得的研究进展都可以直接或间接地应用于红外隐身中。
  1997年,Djuric等基于详细的理论计算设计了具有供体和受体缺陷的一维Si/SiO2光子晶体材料,该结构由6周期Si/SiO2构成,实现了对500℃物体红外辐射的强烈抑制,在3.5~4.5μm的红外透过率几乎为0,对于工作波段在2.5~6μm的探测器具有一定的隐身效果。Djuric等又通过用同厚度受体缺陷SiO2代替第5层Si,使波长3.4μm出现缺陷态,实现了该波长的红外高透过率。
  1998年,Fink等实现了一维禁带对入射光的全方位反射。通过利用相空间的禁带区域对环境介质的光锥交叠可以实现带有界面的周期系统的全方位反射这一理论基础,简单地用交替聚苯乙烯-碲膜层构造一维光子晶体,该材料对10~15μm波长范围的红外光呈现全方位反射。由于该结构的材料可以通过设计得到所需波段的禁带,因此可以将其用到红外隐身领域。
  2.2光子晶体禁带的展宽
  光子晶体宽的禁带是实现相应波段低的发射率、从而降低红外可探测性的必备条件。因此在如何增加禁带宽度方面,研究者们投入了大量的研究,并取得了一系列的进展。
  最简单的方法是在一维二元光子晶体中,增加折射率比来增大禁带,选取折射率相差大的高低折射率材料来构造一维光子晶体有利于宽禁带的产生。
  2.3多波段隐身兼容
  随着红外制导技术、雷达制导技术和可见光及激光制导技术等多频段、高精度制导技术的不断成熟,要求隐身材料的研究也必须向着多波段兼容隐身的方向发展。
  2000年,Blanco等用800nmSiO2制备光子晶体,以此为模板,去除SiO2后化学气相沉积填充Si,大面积制备了具有双波段完全光子禁带的三维硅基光子晶体。
  2001年,Temelkuran等研究全向反射镜制备的一维光子晶体的两个带隙,首次在4.5~5.5μm和8~12μm两个红外大气窗口上对任意偏振态实现了全角度反射。
  2006年,Aliev等使用硫系玻璃AMTIR-1填充SiO2蛋白石晶体除去模板制成反蛋白石光子晶体,通过适当地控制晶格参数和填充率,可以使该结构光子晶体在中红外和远红外波段产生完全光子带隙。其样品在3~5μm和8~12μm两个红外大气窗口波段的反射率可达90%以上。该结构在保持红外透明介质本身的低吸收特性的同时,利用光子晶体结构对禁带光波的高反射特性有效阻隔来自目标的红外辐射信号,实现近红外与远红外隐身兼容。
  2.4自适应红外隐身
  自适应红外隐身技术又称智能红外隐身技术,是指通过控制和调节变温或变发射率材料构成的敏感单元,使被探测目标的红外辐射特性能够随环境自动发生相应调整,实现目标与环境红外辐射特性的统一,消除目标与背景的红外探测特性差异,从而得以伪装掩护和隐身。
  变温材料构成的自适应隐身器件,整体灵敏度差,难以满足实用的要求。单纯的变发射率材料构成的隐身器件,光谱选择性及其发射率可调节的范围有限。而将变发射率材料与光子晶体结构结合起来构建自适应隐身系统,不但灵敏度更高,而且能够在更大的波段范围内实现对物体红外辐射特征的动态调制。因此,变发射率材料构成的光子晶体自适应隐身器件是自适应红外隐身的未来发展方向。
  3总结和展望
  本文归纳了光子晶体应用于红外隐身领域的研究进展和最新发展动态,并针对新一代光子晶体红外隐身材料对宽范围的高反射、多波段兼容、可逆的动态调整等需求,提出了相应的解决思路。
  1)为了获得宽范围、高反射特性的光子晶体红外隐身材料,除了选取折射率比大的组合材料之外,还可以通过引入无序结构或半导体、等离子体等新材料来构造三元光子晶体结构。将两种或两种以上的光子晶体相结合,构建单异质结构、双异质结构无疑是最简单直接也最行之有效的方法。
  2)对于实现多波段兼容隐身,首先要考虑两种隐身手段之间的关联和共通点。对于红外与激光兼容的隐身材料,除了光子晶体相应波段的高反射率性能之外,还要考虑通过掺杂或“挖空”等手段赋予光子晶体某一波长高的透射率来实现二者兼容隐身。对于红外与雷达的兼容隐身技术,材料本身对雷达波的吸收性能是首先要考虑的问题,采取合适的雷达波段高透射率的材料来构建光子晶体是最基本的思路之一,也是当前研究的热点。
  3)能够动态调整目标的红外辐射特征的自适应隐身技术,是未来红外隐身的发展趋势和主要研究方向。随着新材料的发展和新型制备技术的出现,受化学刺激、温度、电场、磁场等外界作用而改变发射率的材料,必然在自适应隐身研究中扮演更重要的角色。在最新的研究动态中,我们也惊喜地发现,受自然界中纳米尺寸结构色(如鱿鱼的虹细胞结构)的启发,利用仿生学制备的自适应红外隐身材料,往往比微制造等复杂技术制备的材料更有效更能满足实用的需要。
  4)虽然当前隐身材料领域仍然以涂层材料等传统隐身手段为主,但随着未来探测手段不断多样化和精确化,对隐身材料提出更高更多的要求,光子晶体以其结构的可设计性、动态的可调性等优异特点,在未来的红外隐身发展过程中,必然占据更重要的位置。
 

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