鄒景嵐,梁 廣,朱志宏

(1.63893部隊,河南 洛陽 471000；2.國防科技大學前沿交叉學科學院,湖南 長沙 410073)

1 引 言

紅外隱身技術,是通過降低目標的紅外輻射強度、改變目標的紅外輻射特性等從而實現(xiàn)降低目標的可探測性的技術,被廣泛應用于飛機、坦克、導彈等軍事裝備中實現(xiàn)對紅外探測設備的“隱身”[1-11]。傳統(tǒng)的紅外隱身技術一般是采用金屬或者低輻射率的涂層來抑制目標的紅外輻射[12-13]。雖然這種方法可以實現(xiàn)紅外隱身,但是因為目標紅外輻射減少,能量積蓄效應會導致溫度升高,過高的溫度會燒毀涂層。同時,紅外輻射功率與溫度的四次方成正比,溫度升高也必然導致紅外輻射增強,隱身能力減弱[14]。所以,發(fā)展既能耐高溫,又能在高溫下抑制紅外輻射的隱身技術顯得非常必要和急需。為了克服這一矛盾,利用波長選擇性的紅外輻射是有效途徑之一。具體而言,隱身層需在特定的大氣窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有較低的發(fā)射率,以使其不可見,而在大氣窗口之外(5 ～8 μm)用于輻射冷卻波段卻具有寬帶的高發(fā)射率,其發(fā)射的5～8 μm波段電磁波由于大氣層內部的衰減和吸收而無法被紅外探測設備檢測到,從而實現(xiàn)紅外隱身[1,15-21]。

超材料是一種人工復合結構或復合材料,其單元結構或材料分布的空間變化具有亞波長周期性[22],概念來源于1968年前蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格假設的介電常數和磁導率都為負值的物質,其電磁學特性與常規(guī)材料有較大差異[23],近年來引起了廣泛關注?？茖W家們通過結構和尺寸設計可以構建具有任意有效介電常數和磁導率的超材料,實現(xiàn)了負折射率[24-25]、零折射率[26]、雙曲各向異性[27]等超常電磁特性,可用于各種領域,如超透鏡[28-31]、天線[32-33]等。特別的,超材料也被重點應用于實現(xiàn)波長選擇性紅外輻射電磁隱身[34-36]。2011年,美國波士頓大學的Liu等人通過設計多個十字型金屬納米結構超材料,結合混合共振的概念,在實驗上實現(xiàn)了高Q值單頻帶和雙頻帶的中紅外完美發(fā)射/吸收器,基于此結構,超材料發(fā)射器不僅可以在理想黑體極限附近獲得高發(fā)射率,并且可以在期望的波長范圍內實現(xiàn)寬帶發(fā)射譜[7]。2018年,國防科技大學Peng等人設計了一種基于Ag/Ge多層薄膜的選擇性熱發(fā)射器,該結構可以在大氣窗口內實現(xiàn)低發(fā)射率(ε3～5 μm=0.18,ε8～14 μm=0.31,即紅外“不可見”)和非大氣窗口實現(xiàn)高發(fā)射率(ε5～8 μm=0.82,即輻射冷卻),并且由于其平面結構的延展性,該結構可實現(xiàn)大面積制備[37]。然而,當前利用超材料實現(xiàn)波長選擇性紅外輻射隱身也有不足,一是輻射冷卻波段5～8 μm的發(fā)射率較低,且?guī)挷粔驅?導致目標溫度很高,而這些研究都沒有考慮溫度升高對紅外輻射率的影響；二是僅僅考慮的是垂直輻射時的波長選擇性,沒有考慮紅外輻射的角度選擇性。

本文致力于解決上面兩個關鍵問題,提出和設計了基于耐高溫金屬材料鉬Mo的多層MIM結構超材料,實現(xiàn)了5～8 μm波段的寬帶高發(fā)射(吸收),中紅外波段3～5 μm和遠紅外波段8～14 μm的寬帶低發(fā)射(吸收),結果同時表明該隱身結構耐高溫性能非常突出,在500～2500 K溫度范圍內其紅外輻射特征都能被抑制,此外,紅外輻射的角度選擇性也較好,入射角在75°范圍內時5～8 μm和8～14 μm波段輻射特性無明顯變化。

2 物理分析與結構設計

紅外隱身技術的核心是紅外光與物質的相互作用問題,而紅外光與物質的相互作用可以通過共振結構來增強和調控。超材料既可以實現(xiàn)電共振也可以支持磁共振,其中磁共振因為特殊的諧振特性和電磁場分布被廣泛研究。1999年,Yen等人在微波波段提出了開口環(huán)諧振器來實現(xiàn)磁共振,其物理機理來源于垂直于開口環(huán)的入射光在開口環(huán)中激發(fā)了諧振增強的震蕩電流,進而產生了垂直于開口環(huán)的磁偶極矩[38]。從那之后科學家們提出了許多新的超材料結構在光波段實現(xiàn)磁共振,例如漁網型[39]和納米三明治型[40]。在我們的前期工作中我們發(fā)現(xiàn)金屬-介質-金屬(MIM)結構中可以激發(fā)磁共振模式[41]。MIM結構示意圖如圖1所示,根據Pendry等人的理論,上下金屬層在紅外波段可以分別被等效成兩個不同的等效電感,同時,上下金屬層之間的介質隔層可以被看作等效電容[25]。因此,圖1中的MIM結構可以被看做一個等效的LC(inductance-capacitance)電路,此等效電路支持很強的磁共振,其中L1、L2表示等效電感,C代表等效電容。對于磁共振的一個更物理的理解是,當一束紅外光以特定的偏振方向以及特定的頻率從空氣入射到結構上時,上下金屬層的金屬表面上的電荷會與入射電磁波發(fā)生共振并且會產生兩個反向平行振蕩的電流。產生的反向平行的電流與介質隔層中的電場矢量形成環(huán)路,磁場穿過環(huán)路。所以說,圖中的MIM結構可以被看做一個等效的LC電路并且支持磁共振。根據分析,一層MIM結構支持幾個不同階數的磁共振,由諧振特性可知,其共振是窄帶的,相應的只能實現(xiàn)窄帶的紅外發(fā)射(吸收)調控。如此,我們提出多層MIM結構的設計,實現(xiàn)寬帶紅外發(fā)射(吸收)調控。這是由于多層MIM結構能夠提供多個磁共振,并且磁共振的共振頻率可以通過等效L1、L2、C來調控,而等效L1、L2、C又是由金屬的厚度和寬度、介質隔層的厚度等決定。如此,我們可以增加MIM結構的層數并設計相應的結構參數實現(xiàn)波長選擇性寬帶紅外隱身。

圖1 金屬-介質-金屬三明治結構單元及等效LC電路原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of metal-dielectric-metal sandwich structure unit and equivalent LC circuit principle

本文設計的結構由耐高溫材料金屬鉬Mo和介質MgF2組成,如圖2所示。這些單元結構周期性地排列可以形成一維光柵陣列和二維光柵結構超材料。由于一維光柵和二維光柵結構在參數相同的情況下只是偏振相關與否的差別,因此為了簡化計算,只考慮基于一維光柵結構的多層結構超材料吸收器。分別設計了1層、3層、5層和7層超材料吸收器,其單元結構側視圖分別如圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示,襯底為Mo,中間介質層為MgF2,上面的一維光柵陣列由Mo層和MgF2層交替堆疊,光柵陣列在y方向無限延伸,該吸收器的周期為p=2.5 μm,Mo襯底的厚度H1=0.1 μm,中間介質層MgF2的厚度D1=30 nm,一維光柵陣列寬度w=1.4 μm,其他參數分別為H2=80 nm,D2=60 nm,H3=100 nm,D3=30 nm,H4=120 nm,D4=100 nm,H5=120 nm。本文使用COMSOL Multiphysics進行全波數值模擬,設置x方向為周期邊界條件,y方向為吸收邊界,其中MgF2的折射率設定為1.4,Mo的折射率參數來自實驗數據。

圖2 基于多層結構的超材料紅外隱身吸收器單元結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the unit structure of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure note

根據史蒂芬-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law),物體的紅外輻射能量為E0=σεT4,式中σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數,ε為物體的發(fā)射率,T為物體的絕對溫度[42]。因此,在溫度一定時(即物體處于熱平衡狀態(tài),此時的熱輻射為平衡熱輻射),紅外輻射由材料發(fā)射率決定。而根據基爾霍夫定律(Kirchhoff laws)可知,在任意溫度T和波長λ下,透明熱平衡物體的發(fā)射率ε等于其吸收率α[43]。因此我們可以通過研究超材料結構的紅外吸收率來得到其紅外發(fā)射特性。為了設計和研究波長選擇性紅外輻射,我們需要知道大氣吸收譜線。

我們使用MODTRAN仿真軟件構建大氣輻射傳輸模型,推導得出大氣吸收譜線。MODTRAN(MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and computer model),即中等光譜分辨率大氣透過率及輻射傳輸算法和計算模型,可以計算0 cm-1到5000 cm-1的大氣輻射傳輸,光譜分辨率為2 cm-1。接著設置大氣成分的相關參數,包括O2、O3、H2O、CO2和CH4等,觀測高度設置為100 km,天頂角為180°,這里只考慮紅外波段,因此設置光譜計算范圍為1～14 μm,在計算過程中考慮了大氣中幾乎所有大氣分子的散射、吸收以及云層、氣溶膠的散射和吸收效應,假設經過云層和塵埃等反射之后的太陽輻射為1,因此只考慮大氣透射和大氣吸收,最后計算得出大氣吸收譜線,如圖3所示。從圖3中可以看出紅外波段的大氣窗口主要有:近紅外波段1.5～1.9 μm,中紅外波段3～5 μm,遠紅外波段8～14 μm。基于此,可以進行紅外隱身超材料的結構設計及仿真計算。

圖3 MODTRAN得出的大氣吸收譜線(經過滑動平均擬合過)Fig.3 The atmospheric absorption spectrum obtained by MODTRAN(fitted by moving average)

3 結果與討論

3.1 入射光波長和角度對吸收/發(fā)射率的影響

首先考慮入射角為0即正入射情況,考慮TM模(磁場矢量與入射面垂直)入射,得到的吸收譜線如圖4所示。分析圖4中的吸收譜線可以發(fā)現(xiàn),對于一層結構,有一個吸收峰位于6.95 μm,吸收率達到76.65 %,其吸收帶寬為0.95 μm；對于三層結構,有兩個吸收峰,分別位于5.75 μm和6.95 μm,吸收率分別可以達到99.98 %和87.7 %,其吸收帶寬為2.05 μm；對于五層結構,有兩個吸收峰,吸收率分別為99.68 %和99.97 %,吸收帶寬為2.345 μm；對于七層結構,有三個吸收峰,分別位于5.3 μm,6 μm和6.9 μm,吸收率分別可以達到99.45 %,98.52 %和97.24 %,吸收帶寬為3.1 μm。分析可知,光柵結構中層數堆疊越多,吸收器吸收帶寬越寬,當堆疊層數為7層時,實現(xiàn)了5～8 μm波段的寬帶高吸收,平均吸收率達90 %以上,這與我們前面的物理分析完全一致。相反地,我們也能發(fā)現(xiàn),中紅外波段3～5 μm和遠紅外波段8～14 μm的吸收率卻相對較低,平均20 %以下。這意味著,我們提出的多層MIM結構在大氣窗口之外(5～8 μm)具有寬帶高發(fā)射率,但是其發(fā)射的5～8 μm波段電磁波由于大氣層內部的衰減和吸收而無法被紅外探測設備檢測到,同時其在能被紅外探測設備檢測的大氣窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有較低的發(fā)射率,也不易被探測,因此其具有寬波段紅外不可見性,從而能實現(xiàn)寬帶紅外隱身。

圖4 基于多層結構的超材料紅外隱身吸收器在TM模式入射光下的吸收率和入射波長的關系Fig.4 The relationship between the absorptivity and the incident wavelength of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure under the incident light of TM mode

為了直觀理解其物理機理,接著計算了這些不同層數超材料在各個吸收峰處的電、磁場分布,分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示,計算中已將入射電場E和入射磁場H的大小進行了歸一化處理,其中圖5(a),圖6(a)、(c),圖7(a)、(c),圖8(a)、(c)、(e)是電場分量Ey分布圖,圖5(b),圖6(b)、(d),圖7(b)、(d),圖8(b)、(d)、(f)是磁場分量Hz分布圖。分析這些圖可知,各個吸收峰處對應的場具有顯著特點:電場(位移電流)形成環(huán),磁場從環(huán)中穿過。這是典型的磁共振模式的場分布特征,所以我們認為這是由于介質層內的磁共振被入射場激發(fā),從而導致了吸收峰的出現(xiàn),不同階數的磁共振導致了不同共振峰的出現(xiàn)。

圖5 一層結構超材料紅外隱身吸收器在6.95 μm吸收峰處的歸一化場分布Fig.5 Normalized field distribution of one-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 6.95 μm absorption peak

圖6 三層結構超材料紅外隱身吸收器在 5.75 μm和6.95μm吸收峰處的歸一化場分布Fig.6 Normalized field distribution of three-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.75 μm and 6.95 μm absorption peak

圖7 五層結構超材料紅外隱身吸收器在 5.85 μm和6.95μm吸收峰處的歸一化場分布Fig.7 Normalized field distribution of five-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

圖8 七層結構超材料紅外隱身吸收器 在5.3 μm,6 μm和6.9μm吸收峰處的歸一化場分布Fig.8 Normalized field distribution of seven-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

前面考慮的是TM模式正入射的情況,接下來改變入射角度。這里以五層結構為例,圖9描述了該一維光柵陣列多層結構紅外隱身超材料吸收器的吸收率與入射角和波長的關系,我們發(fā)現(xiàn)當光譜范圍在5.5～7.5 μm時,隨著入射角的增加,吸收率逐漸降低,但當入射角在小于75°范圍內時吸收器都可以保持超過60 %的吸收率。然而,當入射角繼續(xù)增加到接近85°時,吸收率會有非常大的衰減。這是因為掠入射情況下,入射場絕大部分被結構的上界面反射,磁共振效應變得很弱,從而磁共振導致的增強吸收變弱。

圖9 五層結構紅外隱身超材料吸收器的吸收率與入射角和波長的關系Fig.9 The relationship between the absorption rate of the five-layer infrared stealth metamaterial absorber and the incident angle and wavelength

3.2 溫度對紅外隱身性能的影響

最后考慮溫度對該多層超材料吸收器紅外隱身性能的影響。由于使用的金屬材料為Mo,Mo作為一種過渡金屬材料,熔點很高,能達到2620 ℃,因此該多層超材料吸收器具有良好的耐高溫特性。在計算中,假設來自物體的紅外信號在地表附近的大氣層中水平傳輸1 km。圖10描述了黑體、常規(guī)表面和超材料吸收(發(fā)射)器(根據基爾霍夫輻射定律[Kirchhoff’s law of thermal radiation],物體的吸收率等于其發(fā)射率)在不同溫度下的光譜輻射出射度的對比,其中黑體的光譜輻射出射度根據普朗克黑體

(a)500 K

(b)1200 K

(c)1800 K

(d)2500 K圖10 不同溫度下黑體、常規(guī)表面和紅外隱身超材料吸收(發(fā)射)器的光譜輻射出射度Fig.10 Spectral radiation output of blackbody law, conventional surface and infrared stealth metamaterial absorber(emitter)at different temperatures

輻射定律計算:

(1)

式(1)中h是普朗克常數;c是真空中的光速;K是玻爾茲曼常數;T是溫度;λ是入射光波長。結合圖4中的吸收數據可以計算得到常規(guī)表面和紅外隱身超材料吸收(發(fā)射)器的結果。

可以看到,在T=500 K,1200 K,1800 K和2500 K時,提出的超材料吸收器仍保持良好的性能,這意味著吸收器在不同溫度下都能正常工作。具體來說,在T=500 K時,中紅外MWIR和遠紅外LWIR波長范圍內的紅外輻射分別降低90.21 %和83.52 %。當溫度變?yōu)?200 K時則降低90.35 %和82.26 %,在溫度為1800 K時分別為90.25 %和82 %,溫度為2500 K時則分別為90.19 %和81.86 %。這意味著在不同溫度下該多層結構紅外隱身超材料吸收器的紅外輻射特性都會大幅度降低,從而在較大的溫度范圍內都能實現(xiàn)紅外隱身。同時,在計算的整個光譜范圍3～12.4 μm,該紅外隱身超材料吸收器的熱輻射能力在溫度為500 K,1200 K,1800 K和2500 K時,分別能降低到黑體輻射能力的40 %,29.53 %,26.46 %和25.03 %。如果可探測度下降90 %,這里可以假設一個輻射度是0.1的灰體(與黑體相比,其紅外輻射強度降低90 %),那么在研究的波長范圍3～12.4 μm內,該超材料吸收器的熱輻射在溫度為500 K時相比灰體增加了300 %,而在5～8 μm光譜范圍內則增加了621 %。當溫度上升至1200 K時,這兩個值分別為195 %和576 %,溫度為1800 K時,熱輻射相比灰體在這兩個光譜范圍內增加了165 %和564 %,而當溫度升到2500 K時,熱輻射增加了150 %和558 %。

4 結 論

本文利用耐高溫金屬材料鉬Mo和介質MgF2材料設計了一種耐高溫寬帶多層MIM超材料隱身結構。分別研究了MIM的層數為1層、3層、5層和7層結構對紅外吸收光譜的影響,結果表明隨著堆疊層數的增加,高吸收對應的帶寬逐漸增大,當層數為7層時,吸收帶寬達到3.1 μm,實現(xiàn)了覆蓋5～8 μm波段的寬帶高吸收,同時也實現(xiàn)了中紅外波段3～5 μm和遠紅外波段8～14 μm的寬帶低吸收。進一步研究了該結構紅外吸收的角度和溫度特性,結果表明,該隱身結構角度選擇性較好,75°范圍內時5～8 μm和8～14 μm波段輻射特性無明顯變化；同時,該隱身結構耐高溫性能非常突出。本文提出的超材料隱身結構具有良好的軍事應用前景,實際應用中一般需要大規(guī)模制備,可以通過納米壓印光刻或激光直接寫入等方法實現(xiàn)。