史冬冬，曹昭斌，黃雁華，龔艷春，武文遠，楊 軍

陸軍工程大學基礎部，江蘇 南京 211101

引 言

在復雜環(huán)境中，考慮到單一材料不能滿足越來越高的性能需求，近年來，涂層材料與基底材料的結合得到廣泛而深入的應用。其中，涂層材料的光學性能特別是反射光的偏振光譜特性越來越引起人們的關注[1]。反射光的偏振特性受照明條件、環(huán)境濕度、能見度、觀測位置的影響較大[2]，對材料表面反射及散射光偏振特性分析，可以用于空間目標的有效探測[3]，如對衛(wèi)星表面進行偏振探測，可以獲得其表面損壞程度[4]。對于偽裝涂層材料，利用偏振探測可以獲得偏振程度與波長、探測角和方位角的對應關系等[5]，對于金屬目標，利用偏振特征可以反演目標紋理、表面結構以及材料類型等[6]。近年來，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率，高溫相結構穩(wěn)定、抗腐蝕和價格相對低廉等優(yōu)勢，在多個領域得到廣泛的應用[7]，目前其熱學、力學性能獲得較多研究[8-10]，但對于其光學性能特別是反射光偏振特性的研究則鮮見報道。本工作選取具有代表性的La2Zr2O7為研究對象，通過固相反應法實驗制備其塊體和粉體材料，分別利用自然光和線偏振光作為入射源，系統(tǒng)研究該材料反射光譜偏振特性。

1 實驗部分

實驗中采用固相反應法制備La2Zr2O7樣品，將La2O3和ZrO2氧化物粉末在800～1 000 ℃下煅燒1 h，再用無水乙醇作為液體介質(zhì)，以氧化鋯為球磨，根據(jù)化學計量比稱量氧化物粉末混合球磨，球磨機轉速為250～300 r·min-1，球磨時間24 h；采用旋轉蒸發(fā)儀對漿料進行蒸發(fā)，置于干燥箱在120℃蒸干干燥12 h，在研磨后分別過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，為釋放靜壓過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，將樣品置于干燥箱中放置24 h。燒結過程采用無壓燒結，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構信息X射線衍射及Raman光譜及微觀形貌分別如圖1(a—c)所示，結合XRD, Raman和SEM微觀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，無第二相產(chǎn)生。光學偏振特性測試，采用的實驗平臺結構如圖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，探測器的投影與y軸的夾角為Φr，θi，θr則分別為光源和探測器與z軸的夾角。光源處利用偏振片作為偏振光產(chǎn)生器，探測器處的偏振片控制探測器接收的輻射亮度。

圖1 La2Zr2O7樣品表征

圖2 光學測試實驗平臺示意圖

采用斯托克斯(Stokes)矢量來描述光與物質(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，Q為是0°與90°線偏振的強度之差，U為45°與135°線偏振的強度之差，V為光場中右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量光強之差。由于Stokes矢量中的V很小，幾乎可以忽略不計[12-13]，Stokes矢量通過式(2)獲得

(2)

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

(3)

2 結果與討論

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，探測角范圍為0°～50°，步長為10°，由圖3(a)可知，La2Zr2O7塊體的DOLP光譜曲線總體來看在可見光區(qū)域變化顯著，在約500 nm開始大幅上升，DOLP分別在波長～720和～773 nm出現(xiàn)兩個極大值，分別用α和β來標記。將α和β峰值對應的波長λ0和峰值強度DOLPmax兩個特征參數(shù)從圖3(a)中提取出來，分析結果見圖3(b)，可以看出隨著探測角θr逐漸增大，α和β峰峰值對應的波長λ0的變化不明顯，α和β峰的峰強度DOLPmax對探測角度有明顯依賴關系[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偏振信息產(chǎn)生的影響，采用La2Zr2O7粉體做相應的測試，結果如圖4所示，結合圖3(a)和圖4(a)中對比分析，La2Zr2O7粉體和塊體材料的DOLP光譜曲線總體趨勢大致相同，在～714和～774 nm附近也出現(xiàn)兩個峰。根據(jù)圖4(b)和圖4(c)，隨著探測角θr的增大，α和β峰的峰值對應的波長λ0變化有限，但是對比圖3(c)和圖4(c)可以看出，粉體材料的DOLPmax隨探測角度增加達到峰值后減弱的趨勢顯著變緩。

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

無論是對于遙感技術還是偽裝物體識別，偏振探測可以更加精確地識別目標。以偏振光作為入射光源，進一步研究La2Zr2O7材料表面反射光的偏振特性。如圖5(a)所示，對于La2Zr2O7塊體材料，在可見光波段偏振光入射時，探測角θr為0°和10°時DOLP對波長的變化不敏感，但是當探測角θr≥20°時，DOLP隨波長增加變化較為顯著，且在～720和～763 nm出現(xiàn)兩個峰。相比于自然光入射，在線偏振光下入射時反射光譜出現(xiàn)了峰強度明顯增大，因此反射光偏振度增加，所以探測光源的選擇會對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，有利于此類材料的紅外偏振隱身設計。α和β峰的大小與探測角度關系見圖5(b)，隨著探測角的增大，α和β峰峰值對應的波長λ0分別在～720和～763 nm附近；如圖5(c)所示，α和β對應的DOLPmax波峰曲線基本保持了同步，說明La2Zr2O7塊體對入射光電場矢量在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

對于La2Zr2O7粉體材料，從圖6(a)可以看出，DOLP總體的趨勢大致與La2Zr2O7塊體一致，在～720和～755 nm出現(xiàn)兩個峰，但是在小角度入射下，α和β峰差異很小，相比于塊體，峰值差異相對減弱，說明在偏振光照射下，La2Zr2O7材料的粗糙度對其反射偏振光的光學性質(zhì)有確定影響。從圖6(b)和圖6(c)可以看出，其α峰峰值對應的波長λ0仍穩(wěn)定在～720 nm，β峰穩(wěn)定在～755 nm。相對于塊體材料，粉體材料的DOLPmax曲線在探測角大于40°時變化緩慢。需要指出的是光源入射角為θi為30°，理論上探測角θr為30°時DOLP出現(xiàn)鏡向峰值，本實驗中無鏡向峰值出現(xiàn)可能是因為La2Zr2O7表面粗糙度大于或等于相應波段光波的波長[15]。

圖6 偏振光入射La2Zr2O7粉體材料反射偏振特性

3 結 論

利用固相反應法制備了高質(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對入射光波長有顯著依賴關系，在自然光照射下，DOLP隨著波長的增加呈現(xiàn)出顯著先上升后降低的特性，特別是在接近紅外波段DOLP到達峰值后大幅降低，且隨著波長的增加接近于零，表現(xiàn)出優(yōu)異的紅外偏振隱身特性。在線偏振光入射時，DOLP隨著波長的增加呈現(xiàn)兩個峰值，且塊體材料比粉體材料更加顯著，說明粗糙度對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，然而入射探測角度對DOLPmax對應的峰值波長影響有限。本工作的主要結論對高性能稀土鋯酸鹽涂層材料的反射光譜設計和拓展應用具有一定的科學價值。