史冬冬，曹昭斌，黃雁華，龔艷春，武文遠(yuǎn)，楊 軍

陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部，江蘇 南京 211101

引 言

在復(fù)雜環(huán)境中，考慮到單一材料不能滿(mǎn)足越來(lái)越高的性能需求，近年來(lái)，涂層材料與基底材料的結(jié)合得到廣泛而深入的應(yīng)用。其中，涂層材料的光學(xué)性能特別是反射光的偏振光譜特性越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1]。反射光的偏振特性受照明條件、環(huán)境濕度、能見(jiàn)度、觀(guān)測(cè)位置的影響較大[2]，對(duì)材料表面反射及散射光偏振特性分析，可以用于空間目標(biāo)的有效探測(cè)[3]，如對(duì)衛(wèi)星表面進(jìn)行偏振探測(cè)，可以獲得其表面損壞程度[4]。對(duì)于偽裝涂層材料，利用偏振探測(cè)可以獲得偏振程度與波長(zhǎng)、探測(cè)角和方位角的對(duì)應(yīng)關(guān)系等[5]，對(duì)于金屬目標(biāo)，利用偏振特征可以反演目標(biāo)紋理、表面結(jié)構(gòu)以及材料類(lèi)型等[6]。近年來(lái)，作為一種新型涂層材料，稀土鋯酸鹽(RE2Zr2O7, RE為稀土元素)材料體系由于具有低熱導(dǎo)率，高溫相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗腐蝕和價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[7]，目前其熱學(xué)、力學(xué)性能獲得較多研究[8-10]，但對(duì)于其光學(xué)性能特別是反射光偏振特性的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。本工作選取具有代表性的La2Zr2O7為研究對(duì)象，通過(guò)固相反應(yīng)法實(shí)驗(yàn)制備其塊體和粉體材料，分別利用自然光和線(xiàn)偏振光作為入射源，系統(tǒng)研究該材料反射光譜偏振特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中采用固相反應(yīng)法制備La2Zr2O7樣品，將La2O3和ZrO2氧化物粉末在800～1 000 ℃下煅燒1 h，再用無(wú)水乙醇作為液體介質(zhì)，以氧化鋯為球磨，根據(jù)化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)量氧化物粉末混合球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250～300 r·min-1，球磨時(shí)間24 h；采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)漿料進(jìn)行蒸發(fā)，置于干燥箱在120℃蒸干干燥12 h，在研磨后分別過(guò)200目和400目篩，將粉體壓制初始素坯后將成型坯體經(jīng)220 MPa冷等靜壓2 min，為釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，將樣品置于干燥箱中放置24 h。燒結(jié)過(guò)程采用無(wú)壓燒結(jié)，溫度控制參數(shù)為：室溫至1 000 ℃，升溫速率為5 ℃·min-1，高溫段1 000～1 600 ℃為升溫速率為3 ℃·min-1，并在1 600 ℃保溫10 h，保溫后降溫速率為5 ℃·min-1。塊體樣品進(jìn)行拋光處理，成相粉體的制備與上述工藝參數(shù)相同。

制備得到的樣品晶體結(jié)構(gòu)信息X射線(xiàn)衍射及Raman光譜及微觀(guān)形貌分別如圖1(a—c)所示，結(jié)合XRD, Raman和SEM微觀(guān)形貌分析表征可以看出所制備的樣品為純凈立方焦綠石相，塊體樣品晶粒發(fā)育完整，無(wú)第二相產(chǎn)生。光學(xué)偏振特性測(cè)試，采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示, 在x-y平面中心處放置樣品，樣品的直徑為15 mm，厚度為0.7 mm，光源的投影與y軸夾角為Φi，探測(cè)器的投影與y軸的夾角為Φr，θi，θr則分別為光源和探測(cè)器與z軸的夾角。光源處利用偏振片作為偏振光產(chǎn)生器，探測(cè)器處的偏振片控制探測(cè)器接收的輻射亮度。

圖1 La2Zr2O7樣品表征

圖2 光學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

采用斯托克斯(Stokes)矢量來(lái)描述光與物質(zhì)表面相互作用后反射光的偏振特性[11]

S=[I,Q,U,V]

(1)

式(1)中，I為總光強(qiáng)，Q為是0°與90°線(xiàn)偏振的強(qiáng)度之差，U為45°與135°線(xiàn)偏振的強(qiáng)度之差，V為光場(chǎng)中右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量光強(qiáng)之差。由于Stokes矢量中的V很小，幾乎可以忽略不計(jì)[12-13]，Stokes矢量通過(guò)式(2)獲得

(2)

考慮到目標(biāo)與背景偏振度對(duì)比效果，最好的間隔范圍為40°～80°，因此采用改進(jìn)的Pickering方法[14]，I，Q和U分別通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片0°，45°，90°和135°測(cè)量探測(cè)器接收的輻射亮度求解。目標(biāo)的偏振信息中，線(xiàn)偏振度(degree of linear polarization, DOLP)是重要指標(biāo)，該參量與物體表面的狀態(tài)和屬性相關(guān)，線(xiàn)偏振度DOLP定義見(jiàn)式(3)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 自然光入射

首先用自然光作為入射光源，入射角θi為30°固定不變，探測(cè)角范圍為0°～50°，步長(zhǎng)為10°，由圖3(a)可知，La2Zr2O7塊體的DOLP光譜曲線(xiàn)總體來(lái)看在可見(jiàn)光區(qū)域變化顯著，在約500 nm開(kāi)始大幅上升，DOLP分別在波長(zhǎng)～720和～773 nm出現(xiàn)兩個(gè)極大值，分別用α和β來(lái)標(biāo)記。將α和β峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ0和峰值強(qiáng)度DOLPmax兩個(gè)特征參數(shù)從圖3(a)中提取出來(lái)，分析結(jié)果見(jiàn)圖3(b)，可以看出隨著探測(cè)角θr逐漸增大，α和β峰峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ0的變化不明顯，α和β峰的峰強(qiáng)度DOLPmax對(duì)探測(cè)角度有明顯依賴(lài)關(guān)系[如圖3(c)所示]，呈現(xiàn)出先增大后急劇減小的規(guī)律。

為了研究涂層材料的粗糙度對(duì)偏振信息產(chǎn)生的影響，采用La2Zr2O7粉體做相應(yīng)的測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，結(jié)合圖3(a)和圖4(a)中對(duì)比分析，La2Zr2O7粉體和塊體材料的DOLP光譜曲線(xiàn)總體趨勢(shì)大致相同，在～714和～774 nm附近也出現(xiàn)兩個(gè)峰。根據(jù)圖4(b)和圖4(c)，隨著探測(cè)角θr的增大，α和β峰的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ0變化有限，但是對(duì)比圖3(c)和圖4(c)可以看出，粉體材料的DOLPmax隨探測(cè)角度增加達(dá)到峰值后減弱的趨勢(shì)顯著變緩。

圖3 自然光入射La2Zr2O7塊體材料反射光偏振特性

圖4 自然光入射La2Zr2O7粉體材料反射偏振特性

2.2 偏振光入射

無(wú)論是對(duì)于遙感技術(shù)還是偽裝物體識(shí)別，偏振探測(cè)可以更加精確地識(shí)別目標(biāo)。以偏振光作為入射光源，進(jìn)一步研究La2Zr2O7材料表面反射光的偏振特性。如圖5(a)所示，對(duì)于La2Zr2O7塊體材料，在可見(jiàn)光波段偏振光入射時(shí)，探測(cè)角θr為0°和10°時(shí)DOLP對(duì)波長(zhǎng)的變化不敏感，但是當(dāng)探測(cè)角θr≥20°時(shí)，DOLP隨波長(zhǎng)增加變化較為顯著，且在～720和～763 nm出現(xiàn)兩個(gè)峰。相比于自然光入射，在線(xiàn)偏振光下入射時(shí)反射光譜出現(xiàn)了峰強(qiáng)度明顯增大，因此反射光偏振度增加，所以探測(cè)光源的選擇會(huì)對(duì)La2Zr2O7表面反射的偏振信息產(chǎn)生顯著影響。此外, 從圖5(a)可以看出在偏振光入射下，在近紅外波段DOLP近似為0，說(shuō)明La2Zr2O7涂層材料在近紅外波段范圍內(nèi)反射光的偏振程度可以忽略不計(jì)，有利于此類(lèi)材料的紅外偏振隱身設(shè)計(jì)。α和β峰的大小與探測(cè)角度關(guān)系見(jiàn)圖5(b)，隨著探測(cè)角的增大，α和β峰峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ0分別在～720和～763 nm附近；如圖5(c)所示，α和β對(duì)應(yīng)的DOLPmax波峰曲線(xiàn)基本保持了同步，說(shuō)明La2Zr2O7塊體對(duì)入射光電場(chǎng)矢量在x-y平面內(nèi)的取向變化不敏感。

圖5 偏振光入射La2Zr2O7塊體材料反射偏振特性

對(duì)于La2Zr2O7粉體材料，從圖6(a)可以看出，DOLP總體的趨勢(shì)大致與La2Zr2O7塊體一致，在～720和～755 nm出現(xiàn)兩個(gè)峰，但是在小角度入射下，α和β峰差異很小，相比于塊體，峰值差異相對(duì)減弱，說(shuō)明在偏振光照射下，La2Zr2O7材料的粗糙度對(duì)其反射偏振光的光學(xué)性質(zhì)有確定影響。從圖6(b)和圖6(c)可以看出，其α峰峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ0仍穩(wěn)定在～720 nm，β峰穩(wěn)定在～755 nm。相對(duì)于塊體材料，粉體材料的DOLPmax曲線(xiàn)在探測(cè)角大于40°時(shí)變化緩慢。需要指出的是光源入射角為θi為30°，理論上探測(cè)角θr為30°時(shí)DOLP出現(xiàn)鏡向峰值，本實(shí)驗(yàn)中無(wú)鏡向峰值出現(xiàn)可能是因?yàn)長(zhǎng)a2Zr2O7表面粗糙度大于或等于相應(yīng)波段光波的波長(zhǎng)[15]。

圖6 偏振光入射La2Zr2O7粉體材料反射偏振特性

3 結(jié) 論

利用固相反應(yīng)法制備了高質(zhì)量的La2Zr2O7塊體和粉體樣品，分別在自然光和線(xiàn)偏振光入射下，系統(tǒng)地研究了其反射光譜偏振特性。研究發(fā)現(xiàn)，La2Zr2O7塊體和粉體材料在不同光照條件下DOLP對(duì)入射光波長(zhǎng)有顯著依賴(lài)關(guān)系，在自然光照射下，DOLP隨著波長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)出顯著先上升后降低的特性，特別是在接近紅外波段DOLP到達(dá)峰值后大幅降低，且隨著波長(zhǎng)的增加接近于零，表現(xiàn)出優(yōu)異的紅外偏振隱身特性。在線(xiàn)偏振光入射時(shí)，DOLP隨著波長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，且塊體材料比粉體材料更加顯著，說(shuō)明粗糙度對(duì)反射光的偏振特性有確定影響。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著入射探測(cè)角度的增加，La2Zr2O7塊體材料和粉體材料的DOLPmax都呈現(xiàn)出先上升后降低的特性，然而入射探測(cè)角度對(duì)DOLPmax對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)影響有限。本工作的主要結(jié)論對(duì)高性能稀土鋯酸鹽涂層材料的反射光譜設(shè)計(jì)和拓展應(yīng)用具有一定的科學(xué)價(jià)值。