張塬昆，于名訊，潘士兵，黃成亮，劉忠剛

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，山東濟南250031)

1 引言

隱身技術是當今世界三大尖端軍事技術之一，其中紅外隱身技術占據(jù)了很大比重。紅外隱身材料可降低或改變目標的紅外輻射特征，從而實現(xiàn)對目標的低可探測性。傳統(tǒng)的紅外隱身方法主要依賴于材料的自身屬性。近年來，在運用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)紅外隱身的同時，研究人員也在不斷地探索新型的、更有效的紅外隱身方法。光子晶體作為一種新型的人工結構材料，因其具有光子禁帶的高反射、低輻射特性，在紅外隱身領域具有廣闊的應用前景，因而成為當今紅外隱身材料研究的熱點。

2 光子晶體基本概念

1987 年，Yablonovitch［1］從理論上預言了晶體中光子禁帶的存在，幾乎是在同時，John［2］報道了電介質超晶格中有一種很強的Anderson局域光子存在，這兩位先驅的工作為光子晶體的理論奠定了基礎。光子晶體(Photonic crystal)由不同介電常數(shù)的介質材料在空間按一定的周期排列而成，與半導體具有電子能帶和帶隙一樣，光子晶體也具有光子能帶及光子帶隙(Photonic band gap，PBG)，當光的頻率位于光子帶隙范圍內，它將不能在光子晶體中傳播。一般可根據(jù)介質排列的空間構型，將光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體。

3 光子晶體的特性

光子晶體有兩大特性，第一個重要特性是光子禁帶。在合適的晶格常數(shù)和介電常數(shù)比的條件下，類似于電子能帶隙，在光子晶體的光子能帶間可出現(xiàn)使某些頻率的電磁波完全不能透過的區(qū)域，將此頻率區(qū)域稱為光子禁帶。光子晶體若要對某頻率波段光存在禁帶效應，必須同時滿足三個條件:(1)介電常數(shù)周期性變化，也即具有周期性結構。(2)介電常數(shù)變化幅度大，一般認為兩種材料介電常數(shù)比值大于2時才會有禁帶效應。(3)介電常數(shù)變化周期與光的波長可相比擬，即周期與禁帶對應的光的波長在同一個數(shù)量級。

光子晶體的第二個重要特性是光子局域，又叫Anderson局域。如果在光子晶體中引入某種程度的缺陷，那么和缺陷態(tài)頻率一致的光子就會被局域在缺陷位置，一旦偏離其缺陷處光將迅速衰減，那么這個缺陷就稱作光子局域。假如光子晶體理想無缺陷，根據(jù)邊界條件的周期性要求，不存在光的衰減模式。但是，一旦光子晶體原有的對稱性遭到破壞，光子禁帶中就可能出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)。

光子晶體的其他特性還包括超棱鏡效應和負折射率效應。在半導體晶體中電子能帶上部出現(xiàn)負的有效質量態(tài)，下部出現(xiàn)正的有效質量態(tài)。而且在半導體中，能帶帶隙區(qū)域附近Bloch電子變得類似于自由電子。同樣在強周期性調制的光子晶體中，也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，即在光子帶隙附近，盡管存在強散射，但Bloch光子同樣變得與自由光子類似。這樣在光子帶隙附近的光的傳播就可以用Snell定律來描述。在帶隙附近區(qū)域的一些異常光學傳播行為等均可得到解釋，即有效相折射率是由光子能帶結構確定的。它可能是負值或非整數(shù)，導致如超棱鏡效應、負折射率等異?，F(xiàn)象。

4 紅外隱身光子晶體研究現(xiàn)狀

4.1 國外研究狀況

自從光子晶體的概念提出以來，科研人員就在不斷的探索利用光子晶體實現(xiàn)對特定頻率波段的光的抑制、調制等。這些理論和研究成果都可以直接或間接的應用于紅外隱身中。1991年，Yablonovitch［3］制作了第一塊光子晶體，他所采用的方法是在折射率約為3.6的Si、GaAs等材料上用機械方法鉆出許多直徑為1mm的孔并呈周期性分布最終得到三維結構光子晶體。并且指出該類結構材料可阻止從毫米波段到紫外波段的電磁波從任何方向傳播出去，從而證實了“光子禁帶”的存在。1998年，美國Sandia和Ames實驗室的S.Y.Lin等［4］使用高折射率多晶硅通過激光刻蝕后制成柵欄狀采用層層堆積的方法制備成woodpile結構光子晶體，該結構在10～14.5μm波段出現(xiàn)一條很寬的光子禁帶，對該波段光單位衰減可達約12 dB，并且當光分別以0°、30°、40°、50°、60°角度入射時，其反射率均可以達到90%以上如圖1所示。2001年，B.Temelkuran等［5］研究全向反射鏡制備的一維光子晶體的兩個帶隙首次在4.5～5.5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口上對任意偏振態(tài)實現(xiàn)了全角度反射。

圖1 多晶硅木堆結構光子晶體在不同角度入射時的投射光譜圖Fig.1 polycrystalline silicon woodpile PCs with different incident angle

2002年，美國 Sandia和 Ames實驗室的成員Fleming等［6］報道了他們采用化學氣相沉積法制備的全金屬(鎢)寬帶隙(8～20μm的光譜反射率均大于90%)woodpile結構全反射的三維光子晶體如圖2所示。其中，在12μm波段單位反射可達約30dB，利用該光子晶體可以很好地實現(xiàn)抑制紅外輻射。2005年，S.Enoch等［7］分別通過氣相沉積法和激光刻蝕法將Au、ZnSe制成柵欄片層狀，采用厚度2 mm直徑15 mm的拋光ZnSe作為基底，通過簡單的層層堆積方法制成金屬－介質三維光子晶體，通過測試發(fā)現(xiàn)該樣品可在7～12μm紅外波段表現(xiàn)出較好的熱輻射控制性。Robert.P.Drupp等［8］采用鋁和聚酰亞胺基底設計了單層金屬－介質光子晶體，通過優(yōu)化鋁的大小形狀以及空間位置從而實現(xiàn)了在中遠紅外波段達到非常好的禁帶效果。

圖2 鎢木堆結構光子晶體在光不同角度入射時的反射光譜Fig.2 the reflection spectra of All-Tungsten woodpile PCswith different incident angle

Ken Kuriki等人［9］采用氣相沉積方法制備了由聚醚砜樹脂(PES)和三硒化二砷(As2Se3)制備而成的二維光子晶體纖維。通過表征發(fā)現(xiàn)單根直徑為400μm的纖維在3～3.7μm波長范圍內的反射率接近100%，直徑為200μm的單根纖維在1.4～1.7μm波長范圍內的反射率接近100%。除了通過減少材料的熱輻射和增強紅外反射來實現(xiàn)隱身外，還可以通過將熱輻射能轉換成其他形式的能源(例如電能)來實現(xiàn)隱身。

2005年，A.E.Aliev等［10］使用硫系玻璃AMTIR－1填充SiO2蛋白石晶體除去模板制成反opal光子晶體，通過適當?shù)目刂凭Ц駞?shù)和填充率，可以使該結構光子晶體在中紅外和遠紅外波段產(chǎn)生完全光子帶隙。2006年，他們又對這一可用作紅外隱身顏料的光子晶體進行了詳細報道，并給出了該光子晶體的制備方法，經(jīng)實際測試，其樣品在3～5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口波段的反射率可達90%以上［11］。這種光子晶體低輻射率材料具有良好的電磁波兼容性。在不改變介質化學組成的條件下，這種光子晶體的高反射波段可以通過調節(jié)反蛋白石結構的周期數(shù)進行靈活調控，具有傳統(tǒng)低輻射率涂料無法比擬的優(yōu)點。

4.2 國內研究狀況

我國雖然在紅外光子晶體領域的研究起步較晚，但一些院校和科研機構也取得了一定的成果。2004年，Yu Junfei等［12］報道了他們使用金屬材料Ag和MgF2制備的一維光子晶體可以實現(xiàn)在可見光和近紅外波段的吸收調制，而且吸收率隨著光子晶體周期數(shù)的增加而增加如圖3所示。2007年，劉廣平等［13］采用鎢和二氧化硅設計了一維金屬－介質光子晶體，從理論上研究了光子晶體的光譜選擇控制特性，可用于實現(xiàn)熱輻射控制。Wang Zhejin等［14］人利用高低折射率的多孔硅交替排列而制成一維光子晶體，并從實驗和理論上研究了其在紅外區(qū)域的光學特性，得到了中心波長在3μm、帶寬為1.3μm的光學帶隙，從而為其在紅外熱阻隔方面的應用提供了有益的探索。

圖3 (a)AgMgF2一維光子晶體4周期(線虛線)和8周期(點虛線)在可見光波段的吸收光譜(b)在近紅外波段的吸收光譜.實線為基底材料Ag的吸收光譜Fig.3 (a)calculated absorplogce spectra of 1D AgMgF2 PCswith 4(dashed curve)and 8 periods(dotted curve)(b)absorptance spectra in NIR.Solid curve stands for absorptance of Ag film

2008年，趙大鵬等［15］采用異質結構方法設計了由碲和聚乙烯材料組成的中遠紅外雙波段光子晶體，與B.Temelkuran等［5］設計的光子晶體相比具有更寬的光子帶隙，在3.4～5.3μm和7.9～12.2μm兩個波段實現(xiàn)了對任意偏振態(tài)的全反射，相對帶寬分別達到了49.6%和42.3%。并且通過進一步改進材料的填充比將全向反射的波段拓展為3.4～5.4μm和8～12.5μm，相對帶寬分別達到49.8%和43.1%，完全能夠適應各種中紅外和遠紅外的應用需求。劉必鎏［16］等利用 CdSe，SiO2設計出在中遠紅外波段具有高反射禁帶的一維光子晶體，并通過構造雙周期異質結CdSe/SiO2光子晶體，獲得了光子帶隙的拓寬，實現(xiàn)了在中遠紅外雙波段的高反射。其中在3.14～5.57μm和8.16～13.96μm兩個波段的光譜反射率都大于95%，較好地滿足了中遠紅外雙波段偽裝兼容的要求如圖4所示。

圖4 雙周期異質結一維光子晶體反射光譜Fig.4 the reflection spectra ofmulti-cycle heterojunction 1D photonic crystal

2010年，李宇杰等［17］采用1860 nm直徑的SiO2微球，以對流自組裝方法制備膠體晶體作為模板，通過LPCVD法填充Si制備得到中紅外波段全角度Si反蛋白石三維光子晶體。經(jīng)顯微紅外反射光譜測試該反opal光子晶體具有明顯的光學反射峰，表現(xiàn)出光子禁帶效應。其帶隙中心波長分別為3319，3571和5257 nm。測試的光學性能與理論計算基本符合。其中，在中心波長3319 nm處實現(xiàn)了全角度反射。

2011年，高永芳等［18］通過“光譜挖空”的方法利用薄膜光學的特征矩陣研究設計出一維摻雜光子晶體，該光子晶體可實現(xiàn)遠紅外和10.6μm激光的兼容隱身。Zhao Xuanke［19］等使用 PbTe和 Na3AlF6通過交替鍍膜設計出從近紅外到遠紅外波段高反射且在兩個激光波段高透過的一維雙缺陷膜的光子晶體，該結構在1～5μm和8～14μm兩個波段的反射率可達99%以上，并且對1.06μm和10.6μm激光的透過率可達96%以上如圖5所示。

圖5 多周期雙異質結一維光子晶體反射光譜圖Fig.5 the reflection spectra ofmulti-cycle dual-heterojunction photonic crystal

5 結束語

綜上所述，可用于隱身領域的紅外光子晶體的發(fā)展趨勢也和大多數(shù)隱身材料一樣是“多波段、全方位、多功能、低成本”。也許是出于保密的原因，目前還沒有光子晶體隱身材料應用于軍事領域的報道。光子晶體具有“超低輻射－超高反射”特性，但是要想實現(xiàn)光子晶體在軍事隱身領域的應用，必須要探索解決以下三個問題:

(1)制備高質量的紅外波段的三維光子晶體。制備高質量紅外波段三維光子晶體一直以來都是難點，目前常用的方法有激光直寫技術和膠體自組裝技術，但這兩種方法都有各自的缺點和局限性。

(2)光子晶體紅外隱身材料的應用。是以薄膜(貼片)還是以涂料還是其他的方式去應用到裝備上。不同的應用方式就要考慮不同的使用條件、影響因素等。例如，將三維光子晶體使用在涂料中，那么就要考慮將其研磨成多大尺寸的顆粒、顆粒的大小對其性能的影響、哪種溶劑能使它充分的分散、摻雜后對其性能的影響、涂料的耐候性以及其在金屬表面的附著力以及機械強度等問題。

(3)光子晶體紅外隱身材料規(guī)模化生產(chǎn)。盡管光子晶體有很多種制備方法，但是由于使用的設備和原材料昂貴、生產(chǎn)過程環(huán)境條件要求苛刻，所以目前僅限于實驗室中小規(guī)模制備。光子晶體要想實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，不僅取決于制備工藝的改進，也需要生產(chǎn)設備的改進和原材料制備工藝的改進。

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