李 季,肖 迪

(1.湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司,湖北 武漢 430223；2.青島嘉星晶電科技股份有限公司,山東 青島 266108)

1 引 言

金屬網(wǎng)柵薄膜是一種非連續(xù)性的透明導電薄膜,在可見光和紅外波段呈高透特性,在微波和雷達波波段則呈高反帶阻特性。金屬網(wǎng)柵薄膜一般具有周期性結(jié)構(gòu),改變其周期結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)特定波段的濾波功能,這是因為金屬網(wǎng)柵薄膜的線寬為微米或亞微米量級,周期為亞毫米量級,可見光和紅外波段的電磁屏蔽波長遠遠小于金屬網(wǎng)柵的周期長度,微波及雷達波段電磁波波長遠大于網(wǎng)柵周期。表面制備有金屬網(wǎng)柵薄膜的光窗兼具光學波段的高透過性和微波/雷達波段的優(yōu)良電磁屏蔽特性,成為目前較為常用的實現(xiàn)光學窗口電磁屏蔽的技術(shù)手段之一[1-4]。

金屬網(wǎng)柵薄膜的非連續(xù)性,導致其對入射光束會產(chǎn)生衍射作用,將其鍍制在光電探測設備光學窗口上時,衍射光會成為光學系統(tǒng)中的雜光,影響成像質(zhì)量,會造成設備分辨率和探測距離的下降。為了降低這一不利影響,國內(nèi)外的科研工作者進行了大量的工作,試圖通過改變金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)來定量控制次級衍射分布[5-8]。本文提出了一種隨機圓環(huán)結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)柵,對網(wǎng)柵的光學透過率、衍射分布和電磁屏蔽效能進行了仿真,仿真結(jié)果表明該網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)具有良好的光學/電磁屏蔽性能。

2 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵設計

本文隨機圓環(huán)網(wǎng)柵的基礎結(jié)構(gòu)采用四方排列圓環(huán)結(jié)構(gòu),通過對圓環(huán)的圓心和直徑進行隨機賦值,得到隨機圓環(huán)結(jié)構(gòu)?？紤]到工程化應用,隨機圓環(huán)網(wǎng)柵不能無限制擴大,一般會使用一定數(shù)量的隨機圓環(huán)作為基礎結(jié)構(gòu)單元,修飾邊界之后,最終得到周期化隨機圓環(huán)網(wǎng)柵,設計流程圖如圖1所示。

圖1 隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵設計流程圖

為了使本文設計的隨機網(wǎng)柵可以進行周期化處理,在隨機圓環(huán)結(jié)構(gòu)外包裹了一層半徑相同的周期性圓環(huán),這些圓環(huán)的半徑和隨機圓環(huán)左下角圓環(huán)半徑相同,設定為100 μm,其他圓環(huán)直徑按照相應比例進行縮放,圓環(huán)網(wǎng)柵線寬為3 μm。

3 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵性能仿真

3.1 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布仿真

隨機圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布仿真計算基于離散化思想,將網(wǎng)柵圖形進行像素化處理,變換為二維平面上的黑白兩色位圖,其中網(wǎng)柵線條為黑色不透光,網(wǎng)柵網(wǎng)孔為白色透光；再將黑白雙色位圖轉(zhuǎn)變?yōu)榘?和1兩種元素的矩陣,透光部分在矩陣中的數(shù)值為1,不透光部分在矩陣中的數(shù)值為0,將隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵圖形轉(zhuǎn)化為對應的二維矩陣,將此矩陣做快速傅里葉變換之后取模平方,就得到了隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的衍射分布圖。

在離散化的衍射分布計算之前,需要建立衍射屏,衍射屏由透光的金屬網(wǎng)柵網(wǎng)衍射孔和不透光的網(wǎng)柵線條、遮擋板組成。離散化衍射分布計算中衍射屏遮光面積是有限的,在衍射孔徑固定時,若孔徑四周遮光面積過小,則不能夠滿足夫瑯禾費衍射條件,會造成衍射分布計算結(jié)果誤差較大或者失真。為了保證離仿真結(jié)果的準確性,需在衍射孔的周圍設置面積較大的不透光遮光板,本文將衍射屏設置為正方形,衍射孔為圓形,衍射屏邊長為衍射孔直徑的3倍。如圖2所示。

圖2 金屬網(wǎng)柵衍射仿真衍射屏示意圖

使用快速傅里葉變換對隨機圓環(huán)網(wǎng)柵的衍射分布進行了仿真,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到,隨機圓環(huán)網(wǎng)柵次級衍射較為均勻地分布在零級衍射光斑周圍,沒有出現(xiàn)周期性網(wǎng)柵所呈現(xiàn)的非常明顯次級衍射集中分布的現(xiàn)象。為了表征隨機網(wǎng)柵的衍射分布,本文在隨機圓環(huán)網(wǎng)柵衍射分布圖上取三處離零級衍50、100和150像素的位置分別代表+1級、+2級、+3級衍射,歸一化衍射能量如表1所示。

表1 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵高級次衍射能量對比

圖3 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵衍射能量分布

歸一化衍射能量的定義如等式(1)所示:

(1)

其中,S為歸一化衍射能量；Sn為某一級次的衍射能量；S0為零級衍射能量。

從計算結(jié)果中可以看到,隨機圓環(huán)網(wǎng)柵的+1～+3級衍射能量能夠控制在-4 dB及以下,即次級衍射能量為零級衍射的0.01 %以下。

在有電磁屏蔽光窗的光學系統(tǒng)中,金屬網(wǎng)柵的衍射光是系統(tǒng)中雜散光的主要來源之一。衍射分布仿真結(jié)果表明,隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的次衍射能量圍繞零級衍射分布較為均勻,能夠在一定程度上避免次級衍射的強度疊加,使雜散光成為比較均勻的背景噪聲,降低了網(wǎng)柵次級衍射對復雜光學系統(tǒng)成像的不利影響。

3.2 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵光學透過率仿真計算

隨機圓環(huán)網(wǎng)柵光學透過率仿真計算方法是通過計算網(wǎng)柵透光部分面積與總面積的比值,得到網(wǎng)柵的光學透過率。首先將網(wǎng)柵圖形進行簡化處理,對于隨機結(jié)構(gòu)網(wǎng)柵,只有網(wǎng)柵線條交匯處存在線條面積重合的現(xiàn)象,然而這些交匯處的面積占比非常低,不足網(wǎng)柵線條總面積的1 %,在工程化計算中可以忽略不計。將隨機網(wǎng)柵圖形轉(zhuǎn)換為dxf格式文件,使用CAD軟件讀取每個柵線的長度,將長度求和后再乘以網(wǎng)柵線條寬度,即可得到網(wǎng)柵線條總面積,進而可得出網(wǎng)柵的透過率。

本文中隨機圓環(huán)網(wǎng)柵的一個大周期網(wǎng)柵線條長度為29330 μm,網(wǎng)柵線條寬度3 μm,每個周期總面積為1155625 μm,通過計算可得隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的光學透過率為92.4 %,具有良好的光學透過率。

3.3 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真計算

隨機圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真計算方法為:將隨機圓環(huán)網(wǎng)柵周期結(jié)構(gòu)導入到電磁屏蔽效能仿真軟件中,設置材料為Al,厚度300 nm,并設置10 mm厚的窗口基底,材料為藍寶石,設置周期性邊界條件和入射出射端口后即可進行網(wǎng)柵電磁屏蔽效能的仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。可以看到隨機圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽光窗在1～18 GHz頻段范圍內(nèi)屏蔽效能均優(yōu)于20 dB,具有優(yōu)良的電磁屏蔽效能。

圖4 隨機圓環(huán)網(wǎng)柵電磁屏蔽效能仿真結(jié)果

4 試驗數(shù)據(jù)核算

根據(jù)本文構(gòu)建的隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵模型,在現(xiàn)有藍寶石光電窗口上進行了屏蔽網(wǎng)柵的試制工作,試制樣片如圖5所示。

圖5 隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵試制樣片

對該樣片在鍍制金屬網(wǎng)柵后的透過率、電磁屏蔽效能進行測試,測試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵屏蔽窗口透過率測試

表3 隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵屏蔽窗口電磁屏蔽效能測試

從測試結(jié)果來看,藍寶石光學窗口在鍍制了隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵后,整體的光學透過率能滿足實際使用需求；電磁屏蔽效果基本符合仿真結(jié)果,具有良好的電磁屏蔽效能。

5 結(jié) 論

本文構(gòu)建了隨機圓環(huán)金屬網(wǎng)柵模型,對帶有基底材料的網(wǎng)柵的衍射分布、光學透過率和電磁屏蔽效能進行了仿真計算,并進行了樣片試制和測試工作。結(jié)果表明:隨機圓環(huán)網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的高級次衍射均勻分布在零級衍射附近,無明顯的高級次衍射集中分布現(xiàn)象,衍射能量強度隨著遠離零級衍射的方向下降較快,網(wǎng)柵光學透過率滿足使用要求,電磁屏蔽效能優(yōu)于20 dB,具有優(yōu)良綜合性能。