易怡，鄧聯(lián)文，羅衡，劉勝，賀君，張學(xué)軍，賀龍輝，黃生祥

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，超微結(jié)構(gòu)與超快過(guò)程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

基于光子晶體的紅外光與激光兼容偽裝材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

易怡，鄧聯(lián)文，羅衡，劉勝，賀君，張學(xué)軍，賀龍輝，黃生祥

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，超微結(jié)構(gòu)與超快過(guò)程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

基于光子晶體結(jié)構(gòu)，利用薄膜光學(xué)特征矩陣法，通過(guò)計(jì)算由碲化鉛和氟化鋇構(gòu)建的一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜，研究實(shí)現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)紅外光與波長(zhǎng)為1.060 μm和10.600 μm的激光兼容偽裝的可行性，并通過(guò)計(jì)算該光子晶體橫電波(TE波)和橫磁波(TM 波)的全向帶隙圖，探討入射光入射角變化對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)帶隙的影響。研究結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)在入射光正入射時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)紅外光與波長(zhǎng)為1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)激光的良好兼容偽裝；無(wú)論是TM波還是TE波，當(dāng)入射角增大時(shí)，在1～5 μm和8～14 μm的紅外波段仍能保持良好偽裝效果，但缺陷位置會(huì)向短波方向移動(dòng)，激光偽裝效果降低。

光子晶體；紅外光；激光；兼容偽裝

現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)已從單一模式向復(fù)合模式的多頻譜探測(cè)發(fā)展，使軍事目標(biāo)不僅面對(duì)紅外探測(cè)手段的威脅，而且同時(shí)面對(duì)激光探測(cè)武器的威脅，因此，迫切需要能實(shí)現(xiàn)紅外光與激光兼容偽裝功能的新材料和新結(jié)構(gòu)[1]。但是，由于紅外偽裝要求所使用的材料具有紅外光高反射和低吸收特性，而激光偽裝則要求所使用的材料對(duì)激光具有低反射和高吸收特性，并且目前使用的激光探測(cè)器主要是波長(zhǎng)為 1.060 μm 的釔鋁石榴石激光器和10.600 μm的二氧化碳激光器[2]，這2種激光器都在紅外光譜的波段內(nèi)，因此，依靠單一材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外光和激光的兼容偽裝功能非常困難。若能設(shè)計(jì)一種新型材料，使其在激光探測(cè)器的工作波長(zhǎng)1.060 μm 或10.600 μm附近出現(xiàn)較窄的低反射率帶，而在其他紅外光波段均呈現(xiàn)高反射特性，則可以實(shí)現(xiàn)激光與紅外光的兼容偽裝效果。摻雜光子晶體的缺陷能級(jí)所形成的“光譜挖孔”效應(yīng)為解決這一難題提供了可能性。光子晶體是一種折射率周期變化的新型人工結(jié)構(gòu)功能材料[3?4]，基于光子禁帶的高反射特性，可以實(shí)現(xiàn)紅外光偽裝功能；基于光子局域特性，通過(guò)“光譜挖孔”效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)激光偽裝效果，即達(dá)到紅外光與激光的兼容偽裝[5?6]。高永芳等[7?9]在光子晶體的多波段兼容偽裝方面進(jìn)行了相關(guān)研究，主要針對(duì)遠(yuǎn)紅外光與激光的兼容偽裝以及光正入射時(shí)光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)特性。本文作者選取碲化鉛(PbTe)作為高折射率材料[9]，同時(shí)考慮到利用 2種折射率相差較大的材料構(gòu)成的光子晶體有利于獲得較寬的光子帶隙，選取氟化鋇(BaF2)作為低折射率材料[10]，設(shè)計(jì)一種一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)，探討其在近、中、遠(yuǎn)紅外光波段及波長(zhǎng)為1.060 μm 和10.600 μm的激光反射和透射特性，并研究該光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)橫電波(TE波)和橫磁波(TM波)的禁帶隨入射角和波長(zhǎng)的變化。

1 理論模型

圖1 一維光子晶體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 1-D photonic crystal

一維光子晶體由介電常數(shù)不同的2種材料交替排列構(gòu)成，結(jié)構(gòu)與光學(xué)多層介質(zhì)膜的類(lèi)似，其示意圖如圖1所示，可以借助薄膜光學(xué)理論中的特征矩陣法進(jìn)行計(jì)算分析。波長(zhǎng)為λ的電磁波以角度0θ從左向右入射到薄膜上，在薄膜材料的左邊是折射率為n0的空氣層。將在介質(zhì)層中行進(jìn)的光波視為正向行進(jìn)電磁波(下行波)和反向行進(jìn)電磁波(上行波)的疊加，介質(zhì)交界面處的電磁場(chǎng)滿(mǎn)足邊界條件[11]。

假設(shè)第l層薄膜的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量分別為El和Hl，則第l+1層薄膜的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量可表示為

式中：Ml為第l層媒質(zhì)的特征矩陣，即

將特征矩陣記為

式中：m11，m12，m21和m22表示特征矩陣的矩陣元。則入射光的總反射率R、透射率T和吸收率X分別為：

其中：0η為空氣介質(zhì)的環(huán)境系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

碲化鉛(PbTe)的折射率為5.600，對(duì)光的透明波長(zhǎng)范圍為 3.400～30.000 μm；氟化鋇(BaF2)的折射率為1.470，對(duì)光的透明波長(zhǎng)范圍為 0.150～12.000 μm[12]。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，首先討論光的垂直入射，即θ0=0°，且假定這2種介質(zhì)材料的折射率與頻率無(wú)關(guān)，即忽略介質(zhì)材料的色散和吸收效應(yīng)，入射光波為T(mén)M波。假設(shè)由摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)組成微腔 A，即空氣/[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。其中，H1代表碲化鉛(PbTe)，其單層厚度約為0.473 μm；L1代表氟化鋇(BaF2)，其單層厚度約為1.803 μm；微腔A的中心波長(zhǎng)λ0為10.600 μm，光學(xué)厚度為 λ0/4。通過(guò)計(jì)算所得的光反射譜如圖2所示(其中，λ為波長(zhǎng)，R為反射率)，可見(jiàn)，在7.354～16.000 μm波長(zhǎng)范圍的光反射率R高于99%，且在10.600 μm光波位置出現(xiàn)缺陷能級(jí)，對(duì)該波長(zhǎng)光的反射率R接近于0。

圖2 微腔A的反射譜Fig. 2 Reflection spectrum of micro-cavity A

假設(shè)由摻雜光子晶體結(jié)構(gòu)組成微腔 B即空氣/[H2L2]2L2[H2L2]2/玻璃。其中，H2代表碲化鉛(PbTe)，其單層厚度約為0.047 μm；L2代表氟化鋇(BaF2)，其單層厚度約為0.180 μm；微腔B的中心波長(zhǎng)λ0為1.060 μm，光學(xué)厚度為 λ0/4。通過(guò)計(jì)算所得的光反射譜如圖3所示。從圖3可見(jiàn)：在0.735～1.899 μm波長(zhǎng)范圍的光反射率R高于99%，且在1.060 μm光波位置出現(xiàn)缺陷能級(jí)，對(duì)該波長(zhǎng)光的反射率R接近于0。

為使1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)處同時(shí)實(shí)現(xiàn)“光譜挖孔”效應(yīng)，進(jìn)一步將微腔A和B的結(jié)構(gòu)復(fù)合疊加，即空氣/[H2L2]2L2[H2L2]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。但由于兩缺陷間可能會(huì)相互影響，導(dǎo)致缺陷模分裂及帶隙結(jié)構(gòu)改變和缺陷模反射率變化等，該現(xiàn)象可用缺陷模的波函數(shù)迭加理論解釋[13?14]。經(jīng)計(jì)算所得組合復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射光譜見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)：在0.709～2.104 μm和 7.221～16.000 μm 波長(zhǎng)范圍的光反射率 R均高于98%，且分別在1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)位置出現(xiàn)缺陷能級(jí)，反射率R分別為3.03%和26.85%，均高于單個(gè)微腔對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的反射率。

圖3 微腔B的反射譜Fig. 3 Reflection spectrum of micro-cavity B

圖4 微腔A和B復(fù)合疊加結(jié)構(gòu)的反射譜Fig. 4 Reflection spectrum of two-stacked micro-cavities A and B

為展寬3～5 μm中紅外波段的帶隙，將中心波長(zhǎng)0λ為3.850 μm的光子晶體PC1插入上述兩微腔A和B的組合復(fù)合結(jié)構(gòu)中[15?16]，PC1的結(jié)構(gòu)為[H3L3]2。其中，H3代表碲化鉛(PbTe)，其單層厚度約為0.172 μm；L3代表氟化鋇(BaF2)，其單層厚度約為0.655 μm。該光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)為空氣/[H2L2]2L2[H2L2]2[H3L3]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。計(jì)算所得的反射光譜如圖5所示。從圖 5可見(jiàn)：在 0.690～2.111，3.030～4.230和7.070～16.000 μm光波段的反射率R高于98%，且在1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)處出現(xiàn)缺陷能級(jí)，在這2種波長(zhǎng)處的反射率R分別為1.52%和33.26%。

為進(jìn)一步展寬近紅外波段帶隙，將中心波長(zhǎng)0λ為2.500 μm的光子晶體PC2插入微腔B和PC1之間，PC2 的結(jié)構(gòu)為[H4L4]2。其中，H4代表碲化鉛(PbTe)，其單層厚度約為0.112 μm；L4代表氟化鋇(BaF2)，其單層厚度約為0.425 μm。則該光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)為空氣/[H2L2]2L2[H2L2]2[H4L4]2[H3L3]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。計(jì)算所得的反射譜和透射譜如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：該光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)在近、中、遠(yuǎn)紅外光波段均具有較高反射率和低透射率，即在 1～5 μm 和 8～14 μm波段呈高反射率和低透射率特性；且在1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)處，光反射率R接近于0，透射率T高于99%。上述計(jì)算結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)正入射的近、中、遠(yuǎn)紅外光與1.060 μm和10.600 μm的激光具有良好兼容偽裝效果。上述計(jì)算分析是針對(duì)入射光垂直入射到光子晶體的情形，即=θ0°。實(shí)際上，入射光入射角度對(duì)帶隙有一定的影響。雖然垂直入射時(shí)對(duì) TM 波入射和 TE波入射的計(jì)算光譜一致，但傾斜入射時(shí)以TM波入射和TE波入射的計(jì)算光譜有明顯差異[17]。為了更全面分析不同波長(zhǎng)的光在入射角不同時(shí)光子晶體結(jié)構(gòu)的反射率和透射率特性，分別計(jì)算圖6所示光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)TM波和TE波的全向帶隙圖，結(jié)果如圖7所示(其中，橫軸為波長(zhǎng)λ，縱軸為入射角θ；用灰度表示透射率和反射率；透射譜中白色(100%)代表透射率為 1，黑色(0)代表透射率為 0；反射譜中白色代表反射率為1，黑色代表反射率為0。從圖7可見(jiàn)：隨入射角θ增大，原位于10.600 μm處的缺陷位置在TM波的光譜中移至8.390 μm處，在TE波的光譜中則移至8.230 μm處；而在1.060 μm處的缺陷能級(jí)逐漸消失。但在1～5 μm和8～14 μm波段仍具有高反射、低透射特性，即仍具備對(duì)近、中、遠(yuǎn)紅外光的偽裝功能。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn) 1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)處的全向“光譜挖孔”效應(yīng)，很可能需要構(gòu)建由2種單負(fù)材料組成的一維周期光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)[18]，即帶隙寬度涵蓋1.060 μm和10.600 μm波長(zhǎng)的一維單負(fù)光子晶體材料和結(jié)構(gòu)有可能實(shí)現(xiàn)激光和紅外光的全向兼容偽裝功能。

圖7 光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)的帶隙圖Fig. 7 Calculated photonic bandgaps of composite photonic crystal structure

3 結(jié)論

1) 基于光子晶體結(jié)構(gòu)光學(xué)特性，采用紅外波段的透明材料碲化鉛和氟化鋇，借助薄膜光學(xué)理論的特征矩陣模型，可以設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足對(duì)正入射的近、中、遠(yuǎn)紅外光與1.060 μm和10.600 μm激光兼容偽裝要求的光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2) 當(dāng)入射角變化時(shí)，隨入射角增大，光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)在10.600 μm波長(zhǎng)處的缺陷位置逐漸向短波方向移動(dòng)，1.060 μm波長(zhǎng)處的缺陷逐漸消失，即光波斜入射時(shí)激光偽裝功能降低，1～5 μm和8～14 μm的紅外偽裝效果仍能保持。

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Design of infrared and laser band compatible camouflage structure based on photonic crystals

YI Yi, DENG Lianwen, LUO Heng, LIU Sheng, HE Jun, ZHANG Xuejun,HE Longhui, HUANG Shengxiang

(Hunan Key Laboratory for Super-microstructure and Ultrafast Process, School of Physics and Electronics,Central South University, Changsha 410083, China)

The reflection and transmission spectra of the one-dimensional composite photonic crystal structure of lead-telluride and barium-fluoride were calculated by the characteristic matrix method of thin-film optics theory, and the possibility of compatible camouflage of the wide band infrared and laser was discussed. Furthermore, the omni-directional band-gap diagram of the composite photonic crystal structure under TE or TM wave was calculated to explore the effects of the changing incident angle. The results show that compatible camouflage of the wide band infrared and laser of 1.060 μm or 10.600 μm is achievable when incident light is normal to the designed composite structure. No matter the incident wave is TM or TE wave, when the incidence angle increases, infrared camouflage in 1?5 μm and 8?14 μm can also be maintained. But the defect mode moves to the shortwave band, and the laser camouflage is diminished.

photonic crystals; infrared light; laser; compatible camouflage

O434

A

1672?7207(2017)11?2966?06

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.017

2016?10?12；

2016?12?26

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015JC2300146)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFA0204600) (Project(2015JC2300146) supported by Science and Technology Project of Hunan Province, China; Project(2017YFA0204600) supported by the National Key Research and Development Program of China)

鄧聯(lián)文，博士，教授，從事偽裝隱身材料研究；E-mail: denglw@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)