農(nóng)潔 張伊祎 韋雪玲 姜鑫鵬 李寧 王冬迎3) 肖思洋 陳泓廷3) 張振榮 楊俊波?

1) (廣西大學計算機與電子信息學院,廣西多媒體通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室,南寧 530004)

2) (國防科技大學物質(zhì)與材料科學實驗中心,長沙 410073)

3) (西南科技大學數(shù)理學院,綿陽 621010)

各類光電設(shè)備的光學窗口中普遍存在的“貓眼效應(yīng)”是激光主動探測系統(tǒng)的主要依據(jù),這對軍事裝備和單兵作戰(zhàn)人員構(gòu)成了極大的威脅.然而,在保證高可見光透過率的條件下,針對激光主動探測的狙擊隱身方案仍然有待商榷.本文利用遺傳算法對超表面減反射膜進行逆向設(shè)計,用Si3N4 和Ag 組成三層減反增透膜,并在其頂層增加長方形陣列的微納結(jié)構(gòu)金屬形成波長選擇性吸收器,以實現(xiàn)激光波長低反射高吸收的效果.將器件設(shè)計與遺傳算法相互結(jié)合,通過算法優(yōu)化得出最符合器件目標性能的參數(shù)組合,達到了可見光平均透過率88%,最大透過峰值94%,1550 nm 激光波長反射率10%,吸收率80%的效果.本文設(shè)計的超表面減反射膜不需要增加額外裝置且成像質(zhì)量得以保證,同時能有效減小激光的回波能量,從而高質(zhì)量地實現(xiàn)可見光透過與激光隱身的兼容,為反貓眼探測的作戰(zhàn)策略提供了一種行之有效的設(shè)計思路.

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,狙擊手能用最小的作戰(zhàn)成本讓敵軍受到最大的威脅,因此成為各個國家軍隊單兵作戰(zhàn)關(guān)注的對象,世界各國不遺余力地訓練優(yōu)秀狙擊手的同時,對反狙擊作戰(zhàn)系統(tǒng)[1]的研究也不斷發(fā)展,各式各樣的反狙擊系統(tǒng)層出不窮.聲探測系統(tǒng)[2]是反狙擊探測系統(tǒng)之一,通過布置麥克風陣列來接收子彈出膛以及飛行時產(chǎn)生的沖擊信號,從而對到達麥克風陣列的時間差進行計算,大致定位出狙擊手方位.聲探測系統(tǒng)的工作原理限制了使用場景,聲探測系統(tǒng)在多名狙擊手同時作戰(zhàn)的場景下很難分辨出具體方位,由于設(shè)備眾多,聲探測系統(tǒng)大多被安裝在裝甲車上,應(yīng)用于城市作戰(zhàn),且聲探測系統(tǒng)只能確定狙擊手的方位,無法進行精確定位.自1990 年代起,光電對抗技術(shù)[3]開始在反狙擊領(lǐng)域嶄露頭角,紅外反狙擊手探測系統(tǒng)[4]采集狙擊手開槍后槍口處的閃光和熱量變化,分析其紅外信號以精確判斷狙擊手位置.但是紅外反狙擊手探測屬于被動探測方式,只有當狙擊手開槍后才能定位,開槍與定位的時間差給狙擊手提供了轉(zhuǎn)移的可能,且該方式受天氣變化和環(huán)境影響較大,糟糕的天氣和環(huán)境條件下,極有可能出現(xiàn)錯誤判斷影響戰(zhàn)略部署.同時,紅外探測系統(tǒng)無法區(qū)分具有與槍口閃光相同紅外特征的紅外發(fā)射器.隨著光電子技術(shù)的進一步發(fā)展和實際作戰(zhàn)形勢的需要,基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動探測[5?7]技術(shù)在反狙擊手偵察和信息獲取中發(fā)揮著重要作用.與貓的眼睛一樣,根據(jù)光路可逆原理,當激光光束照射到目標光電設(shè)備的光學窗口且進入光學系統(tǒng)視場時,有一部分激光光束被反射回來,被激光探測器接收并進行濾波處理,對回波功率進行分析,就可以精確確定槍手位置.激光探測系統(tǒng)采取主動探測的方式且具有方向性好、功率高、亮度大、靈敏度高、探測距離遠和抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于反狙擊探測領(lǐng)域,但該方式必須依托光學目標“貓眼效應(yīng)”的工作原理,若狙擊方消除了“貓眼效應(yīng)”則激光探測系統(tǒng)致盲.

狙擊與反狙擊作為矛和盾的存在,愈發(fā)先進的反狙擊技術(shù)大大增加了狙擊手暴露的可能性,因此偽裝技術(shù)的優(yōu)劣以及對探測系統(tǒng)的應(yīng)對策略與任務(wù)的成敗和狙擊手的生命安全直接相關(guān).針對在軍事領(lǐng)域廣泛使用的激光主動探測方式,狙擊方可通過減小光電系統(tǒng)自身的“貓眼效應(yīng)”以降低激光回波功率的強度,從而縮短探測距離,增強作戰(zhàn)隱蔽性和生存能力.常見的激光器有波長為1060 nm的Nd:YAG 激光器[8]、波長為1550 nm 的摻鉺激光器[9]和波長為10600 nm 的二氧化碳激光器[10],1550 nm 波長是探測系統(tǒng)常用的激光波長之一[11,12],其具有光束能量高且集中,空氣衰減較低,人眼安全性更高,探測距離更遠,隱蔽性更強的優(yōu)點,因此1550 nm 激光器具有更廣泛的應(yīng)用前景,成為新的發(fā)展趨勢.

李攀等[13]利用有限時域差分方法設(shè)計并優(yōu)化了由SiO2組成的雙層和三層減反射膜在1550 nm波長附近實現(xiàn)了減反射效果.季雪淞等[14]設(shè)計了微納陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)增強1550 nm 處的吸收.應(yīng)用于狙擊光學系統(tǒng)的隱身策略不僅要求實現(xiàn)激光隱身,同時需要保證可見光光路的正常通行,確?？梢姽獾耐干湫Ч?鄭臻榮等[15]利用TiO2和MgF2組成的8 層結(jié)構(gòu)設(shè)計了400—1000 nm 范圍內(nèi)的超寬帶減反射膜.寇立選等[16]選用Ti3O5,SiO2和MgF2制備了10 層結(jié)構(gòu)的超寬帶減反射膜.賀才美等[17]選擇ZnS 和YbF3作為高低折射率材料實現(xiàn)了可見光到近紅外以及遠紅外波段的雙波段增透.

制備可見光波段的減反增透薄膜已經(jīng)屢見不鮮,各類針對激光隱身的光電子器件也數(shù)不勝數(shù).然而,兩者都是僅關(guān)注透過或吸收性能,鮮有將兩者性能結(jié)合起來應(yīng)用于狙擊光學系統(tǒng)反偵察的超表面研究.基于上述研究現(xiàn)狀存在的空缺,本文設(shè)計了由金屬Ag 和介質(zhì)材料Si3N4組成的超表面減反射膜,實現(xiàn)了在380—780 nm 可見光波段的高透射效果與近紅外激光波長1550 nm 高吸收性能的兼容,利用納米級超薄Ag 膜的異常透射特性,通過選擇能與Ag 膜實現(xiàn)阻抗匹配[18]的介質(zhì)材料Si3N4來達到增強透射減少反射的效果,又得益于納米結(jié)構(gòu)調(diào)控光場的特殊能力,電磁波的光場能量被吸收,減少了激光波長處的強反射,進而實現(xiàn)了目標激光波長上的隱身效果,為反貓眼探測的作戰(zhàn)策略提供了一種行之有效的設(shè)計思路.

2 結(jié)構(gòu)模型和方法

本文所設(shè)計的超表面減反射膜的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示,由頂層長方形微納結(jié)構(gòu)Ag 陣列/上層Si3N4/Ag 層/下層Si3N4組成,通過遺傳算法優(yōu)化得到的幾何參數(shù)t1,t2,t3分別表示下層Si3N4厚度,中間Ag 層厚度,上層Si3N4厚度,以及l(fā),w,t4分別表示頂層長方形微納結(jié)構(gòu)Ag 的長、寬和厚度.所設(shè)計的超表面減反射膜由于等離子體共振和材料的固有特性,實現(xiàn)了在可見光波段的高透過與激光隱身的兼容.

圖1 超表面減反射膜示意圖Fig.1.Diagram of metasurface antireflection film.

通常,對于設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象及其電磁場特性很難完全用解析式表達出來,得益于計算機的發(fā)展,出現(xiàn)了數(shù)值模擬這一研究手段.本文在研究時主要采用時域有限差分方法(finite difference time dome,FDTD),這是一種求解麥克斯韋方程組的直接時域求解方法,其基本思想是在電磁場中對電場和磁場在空間上和時間上間隔交替采樣,并且在任意電場或磁場分量的周圍都包圍著4 個電場或磁場分量,用這種離散的方式把含有時間分量的旋度方程轉(zhuǎn)化為差分方程,進而在時間軸上推解出空間分布的電磁場.當離散后的差分方程是收斂且穩(wěn)定的,則差分方程的數(shù)值解可以被認為是原方程的解.

遺傳算法是通過模擬達爾文的遺傳選擇和優(yōu)勝劣汰的生物進化過程的一種隨機搜索算法,采用概率化尋找參數(shù)能夠自動調(diào)整優(yōu)化方向,本文利用遺傳算法來尋找滿足目標光譜要求的最優(yōu)參數(shù)組合.將需要優(yōu)化的參數(shù)t1,t2,l和w作為個體的基因,用二進制編碼表示,算法將每一個個體的基因傳遞到仿真軟件進行模擬仿真,得到透射光譜和反射光譜后再反饋給算法,通過逐代的選擇、交叉和變異的具體操作,產(chǎn)生新個體.為了性能優(yōu)越的個體不被淘汰,將每一代每一個個體的適應(yīng)度函數(shù)(figure-of-mert,FOM)計算出來并進行排序,將保留下FOM 函數(shù)最大的30 個個體,剩余的個體則由選擇、交叉和變異的個體組成,由此構(gòu)成新一代種群,繼續(xù)進行迭代.經(jīng)過不斷的迭代,得出適應(yīng)度最大的個體基因即結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合,本文所用遺傳算法流程如圖2 所示.

圖2 遺傳算法流程圖Fig.2.Genetic algorithm flow chart.

本文中設(shè)定遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)為

其中,λ1和λ2分別表示所關(guān)注波段的起始波長和截止波長,對應(yīng)可見光范圍380—780 nm;表示λ1和λ2波段內(nèi)的平均透過率;A(λ) 表示λ波長下的吸收率.利用公式A(λ)=1-R(λ)-T(λ)計算出吸收光譜A(λ),可以由(2)式計算出來:

其中,T(λ) 表示λ波長下的透射率.設(shè)計FOM 函數(shù)時,將可見光平均透過率和近紅外吸收率的權(quán)重分別設(shè)定為0.6 和0.4,是為了側(cè)重于保證可見光的高透過,以便能夠清晰成像,同時又能夠保證近紅外的高吸收率.

3 結(jié)果和分析

3.1 數(shù)值模擬仿真結(jié)果

本文將電介質(zhì)/金屬/電介質(zhì)(dielectric/metal/dielectric,DMD)三層膜系與周期性圖案化微納結(jié)構(gòu)結(jié)合,把遺傳算法運用到最優(yōu)幾何參數(shù)組合的尋找上,得到性能優(yōu)越的超表面減反射膜,在380—780 nm 可見光波段有較高的透過率并且能夠有效降低1550 nm 激光的回波能量,通過常用的膜層制備方法和微納結(jié)構(gòu)刻蝕藝即可將該超表面減反射膜制備出來.

在數(shù)值模擬仿真中,設(shè)定平面波從z軸的正方向入射到超表面減反射膜,在x和y方向上設(shè)置周期性邊界條件,z方向上設(shè)置完美匹配層,超表面減反射膜的透射光譜T(λ) 和反射光譜R(λ) 可以從仿真軟件的監(jiān)視器中得到.將未使用算法的結(jié)構(gòu)初始參數(shù)設(shè)定為: 周期P=350 nm,下層Si3N4薄膜厚度t1=35 nm,中間Ag 層厚度t2=10 nm,上層Si3N4厚度t3=35 nm,以及頂層微納結(jié)構(gòu)Ag的幾何參數(shù),長l=190 nm,寬w=60 nm,厚t4=10 nm,整個初始超表面減反射膜的總厚度為90 nm.經(jīng)過遺傳算法30 次迭代,對整體結(jié)構(gòu)的t1,t2,t3以及l(fā)和w進行迭代優(yōu)化,得到最優(yōu)幾何參數(shù)為:P=350 nm,t1=41 nm,t2=18 nm,t3=41 nm以及l(fā)=166 nm,w=62 nm,t4=10 nm,整個超表面減反射膜的總厚度為110 nm.

模擬仿真得到所設(shè)計的超表面減反射膜的透射光譜、吸收光譜以及反射光譜與初始結(jié)構(gòu)的對比結(jié)果如圖3 所示.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在380—780 nm可見光波段內(nèi)的平均透過率可達88%,在484 nm處出現(xiàn)峰值為94%的透射峰,在1550 nm 激光波長處的反射率僅為10%,吸收率為80%,算法優(yōu)化前后的參數(shù)和性能對比如表1 所示.分析結(jié)果可知,經(jīng)過算法優(yōu)化后的幾何參數(shù)能夠顯著地提高可見光范圍內(nèi)的平均透過率及1550 nm 處的吸收率,整體結(jié)構(gòu)在不影響成像質(zhì)量的前提下,可以很好地實現(xiàn)激光隱身的預(yù)期目標.

表1 算法優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能對比Table 1.Performance comparison of the structure before and after algorithm optimization.

圖3 算法優(yōu)化前后性能對比 (a) 算法優(yōu)化前后380—780 nm 透過率對比;(b) 算法優(yōu)化前后1550 nm 反射率/吸收率對比Fig.3.Performance comparison before and after algorithm optimization: (a) Comparison of transmittance between 380 nm and 780 nm before and after optimization;(b) reflectance/absorption ratio of 1550 nm before and after optimization is compared.

超表面減反射膜同時實現(xiàn)了可見光高透過和近紅外低反射的功能,這歸因于超薄Ag 膜的異常透射特性和Si3N4材料幾乎無損耗的性質(zhì),以及微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等離子體共振.超表面減反射膜的等效阻抗與自由空間相匹配,使得金屬反射電磁波的特性被抑制,因此可見光電磁波可以最大限度地透過整個超表面減反射膜,又因為微納結(jié)構(gòu)能夠操控光場,使得光場能量轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗.

3.2 理論分析

在所有金屬材料中,Ag 在可見光波段內(nèi)具有較小的吸收[19],且超薄Ag 膜比常用的透明導(dǎo)電薄膜ITO 具有更高的可見光透過率[20],是設(shè)計D/M/D減反射膜系的理想選擇.納米量級的連續(xù)金屬薄膜的透過率與厚度密切相關(guān),若Ag 薄膜的厚度低于臨界厚度,則由于未形成連續(xù)薄膜而表現(xiàn)為島狀A(yù)g膜對光能量的強烈吸收;若Ag 薄膜的厚度過大,則反射率大大提高導(dǎo)致透射性能不佳.Ag 和Si3N4材料的折射率如圖4 所示,可以看出在可見光范圍內(nèi),Ag 的消光系數(shù)較低,被選作增透層材料的Si3N4在可見光波段內(nèi)可以看作是無損耗的,即消光系數(shù)近乎為0[21].超薄Ag 膜與介質(zhì)材料Si3N4組成D/M/D三層膜系,合理設(shè)計膜系的各層厚度使整個膜系的等效阻抗與自由空間的阻抗相匹配,可達到減反增透的效果,實現(xiàn)可見光波段高透過的設(shè)計目標.

圖4 Ag 和Si3N4 的折射率 (a) Ag 在380—780 nm 的折射率;(b) Si3N4 在380—780 nm 的折射率Fig.4.Refractive index of Ag and Si3N4: (a) Refractive index of Ag at 380?780 nm;(b) refractive index of Si3N4 at 380?780 nm.

使用仿真軟件查看結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場分布,以便更好地理解其在可見光波段產(chǎn)生高透過和在近紅外波段中產(chǎn)生吸收效應(yīng)的機理.用Lorent-Drude色散模型分析厚度為18 nm 的超薄Ag 膜在484 nm波長下xz截面的歸一化電場分布,如圖5 所示,大部分的電場能量被超薄Ag 膜反射,且能量在Ag膜里有所衰減,只有少部分能量可以穿透Ag 膜.

圖5 超薄Ag 膜484 nm 處xz 截面的歸一化電場圖Fig.5.Normalized electric field diagram of xz section at 484 nm of ultra-thin Ag film.

在超薄Ag 膜的上下涂覆Si3N4薄膜作為增透層,Si3N4/Ag/Si3N4三層膜系xz截面的歸一化電場分布如圖6(a)—(c) 所示.從隨機選取的3 個可見光波長分別為380,470,560 nm 處的電場分布來看,有較高的電磁波能量透過下層Si3N4,三層膜系在可見光范圍內(nèi)沒有發(fā)生諧振,除了材料固有的本征吸收外,不會產(chǎn)生額外的吸收,所以可見光可以盡可能地透過三層膜系,展現(xiàn)出可見光高透過的效果.在1550 nm 波長下,三層膜系xz截面的歸一化電場分布如圖6(d)所示,可以看到?jīng)]有添加頂層微納結(jié)構(gòu)金屬的情況下,三層膜系依然不產(chǎn)生諧振,但是電磁波無法透過膜系,這是因為隨著波長的增大,材料的折射率發(fā)生變化,導(dǎo)致三層膜系與自由空間阻抗失配,絕大部分的能量被反射回去,因此電磁波既無法透過膜系也不會被吸收.

圖6 Si3N4/Ag/Si3N4 三層膜系xz 截面的歸一化電場圖 (a) 380 nm 處xz 截面的歸一化電場圖;(b) 470 nm 處xz 截面的歸一化電場圖;(c) 560 nm 處xz 截面的歸一化電場圖;(d) 1550 nm 處xz 截面的歸一化電場圖Fig.6.Normalized electric field diagram of xz section of Si3N4/Ag/Si3N4 three-layer films: (a) Normalized electric field diagram of xz section at 380 nm;(b) normalized electric field diagram of xz section at 470 nm;(c) normalized electric field diagram of xz section at 560 nm;(d) normalized electric field diagram of xz section at 1550 nm.

當1550 nm 電磁波作用于超表面減反射膜時,其在xy截面和xz截面的電磁場分布如圖7 所示.從圖7 可以看出在頂層圖案的四周出現(xiàn)了電場增強現(xiàn)象,頂層金屬與中間層金屬的電位移矢量相反,因此在介質(zhì)層中產(chǎn)生了強烈的磁諧振,磁場被局限在頂層圖案下方的介質(zhì)區(qū)域內(nèi),觀察電磁場的分布可知在頂層金屬周邊激發(fā)了局域型表面等離激元諧振,電磁波能量被吸收,最后耦合的電磁波能量通過歐姆損耗的方式轉(zhuǎn)化為熱能.

圖7 1550 nm 處的電磁場分布 (a) 1550 nm 處xy 截面電場圖;(b) 1550 nm 處xy 截面磁場圖;(c) 1550 nm 處xz 截面電場圖;(d) 1550 nm處xz 截面磁場圖Fig.7.Electromagnetic field distribution at 1550 nm: (a) Electric field diagram of xy section at 1550 nm;(b) magnetic field diagram of xy cross section at 1550 nm;(c) electric field diagram of xz section at 1550 nm;(d) magnetic field diagram of xz cross section at 1550 nm.

4 討論

從圖3(a)發(fā)現(xiàn),超表面減反射膜在700 nm 后的透射效果有所下降,通過觀察700 nm 處的電磁場分布來探究其原因.如圖8 所示,當入射電磁波穿透上層金屬和介質(zhì)到達中間層金屬時,會在中間層金屬與介質(zhì)的交界面上激發(fā)出傳播型表面等離子激元極化波.中間層金屬具有一定的反射作用,上層介質(zhì)與中間層金屬的交界面和上層介質(zhì)與頂層金屬交界面之間的表面等離激元極化波發(fā)生相消干涉,激發(fā)了F-P 腔模式共振.磁場能量不僅局限在頂層金屬下方的介質(zhì)區(qū)域內(nèi),而且在單元結(jié)構(gòu)之間也有增強,這是傳播型等離激元模式和FP 腔共振模式的結(jié)合,從而在700 nm 后產(chǎn)生小幅度的吸收導(dǎo)致透射效果下降.

圖8 700 nm 處xz 截面的電磁場分布 (a) 700 nm 處xz 截面電場圖;(b) 700 nm 處xz 截面磁場圖Fig.8.Electromagnetic field distribution at 700 nm: (a) Electric field diagram of xz section at 700 nm;(b) magnetic field diagram of xz cross section at 700 nm.

探究不同入射角度對超表面減反射膜性能的影響,如圖9 所示,可見光透過率和1550 nm 處的吸收率幾乎不會受到入射角度變化的影響,雖然在入射角度大于35°時,長波可見光的透過率有所下降,透射窗口稍窄,但下降幅度不大,基本不會影響整體性能,表明所設(shè)計器件具有良好的角度不敏感特性.

圖9 不同入射角度對性能的影響 (a) 不同入射角度對380—780 nm 透過率的影響;(b) 不同入射角度對1550 nm 吸收率的影響Fig.9.Effects of different incident angle on properties: (a) Effect of different incident angle on transmittance of 380?780 nm;(b) effect of different incident angle on absorptivity of 1550 nm.

上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對入射光極化角度具有敏感性,在實際應(yīng)用中存在一定的局限性,因此需對結(jié)構(gòu)進行改進.將長方形金屬陣列替換為中心對稱十字交叉型金屬陣列,以獲得偏振不敏感特性.使用同樣的設(shè)計方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),結(jié)構(gòu)模型和結(jié)果如圖10 所示,P=350 nm,t1=43 nm,t2=13 nm,t3=56 nm 以及l(fā)=181 nm,w=51 nm,t4=10 nm.

偏振不敏感結(jié)構(gòu)的可見光平均透過率為82%,相比于長方形陣列結(jié)構(gòu)有所下降,這是因為十字交叉型金屬陣列的占空比為13%,略大于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的占空比.在1550 nm 處存在84%的吸收峰,反射率5%.從圖10(b),(c)可以看到,改進后的十字交叉型陣列依然可以保持較高的可見光透過率,并且在近紅外激光波長上存在更大的吸收峰,激光的回波強度進一步減小.入射光極化角度對該結(jié)構(gòu)的影響如圖11 所示,可見光透過率和激光波長的吸收率幾乎不會發(fā)生變化,由于結(jié)構(gòu)的對稱性,該設(shè)計獲得了良好的偏振不敏感特性.

探究MgF2,SiO2,Si3N4,SiC,TiO2材料作為增透層對超表面減反射膜性能的影響,這些材料都是在可見光波段內(nèi)幾乎無損耗的電介質(zhì)材料,且折射率依次增大.從圖12(a) 可以看出,折射率小于Si3N4的電介質(zhì)材料作為增透層會導(dǎo)致可見光波段的透射窗口向短波方向移動且平均透過率明顯降低,折射率大于Si3N4的電介質(zhì)材料作為增透層會導(dǎo)致可見光波段的透射窗口向長波方向移動.從圖12(b)可以看出,折射率小于Si3N4的電介質(zhì)材料作為增透層會導(dǎo)致近紅外吸收峰藍移;折射率大于Si3N4的電介質(zhì)材料作為增透層會導(dǎo)致近紅外吸收峰紅移.根據(jù)圖12 的結(jié)果,選取Si3N4作為增透層可以使得超表面減反射膜與自由空間的自由電子達成阻抗匹配,所以透射性能最佳,且在1550 nm處的吸收率最高.

單獨變換底層電介質(zhì)材料對性能的影響如圖13示,選取SiO2和SiC 作為底層電介質(zhì)材料時,在近紅外波段的吸收性能與Si3N4相差無幾,但是在可見光波段的平均透過率顯著下降,影響觀測效果.選取MgF2和TiO2時,平均透過率下降且吸收峰紅移,1550 nm 處的吸收率顯著降低,達不到目標隱身要求.

圖13 不同底層電介質(zhì)材料對性能的影響 (a)不同底層電介質(zhì)材料對380—780 nm 透過率的影響;(b)不同底層電介質(zhì)材料對1550 nm 吸收率的影響Fig.13.Effects of different bottom dielectric materials on properties: (a) Effect of different bottom dielectric materials on transmittance of 380?780 nm;(b) effect of different bottom dielectric materials on transmittance of 1550 nm.

可以看出單獨變換某一層或同時變換上下兩層電介質(zhì)材料會導(dǎo)致整個超表面減反射膜的等效阻抗與自由空間的阻抗失配,表現(xiàn)為透過性能明顯降低.在近紅外波段起吸收作用的是由中間金屬Ag 層、上層Si3N4以及頂層微納結(jié)構(gòu)金屬Ag 陣列組成的諧振吸收器,僅變換底層電介質(zhì)材料對該吸收器的影響不大,但同時變換上層電介質(zhì)材料時,介電常數(shù)的改變會影響等離激元共振及F-P 腔模式共振所處波長.

研究介質(zhì)層厚度t1和中間金屬層厚度t2對超表面減反射膜性能的影響.從圖14(a),(b)可以看出,隨著t1增大,可見光波段的透射效果得到明顯提升,當t1增大到50 nm 之后,可見光透射效果顯著下降,且透射窗口有紅移趨勢.在近紅外波段,t1在20 nm 厚度以下幾乎不會產(chǎn)生吸收,在20—50 nm 之間吸收峰隨著t1增大而藍移且強度增大,在50 nm 之后超表面減反射膜在1550 nm 目標波長上的吸收率大幅度降低.從圖14(c),(d)可以看出,中間金屬層厚度t2對可見光透射效果的影響較大,透射率隨著t2的增大而降低,在近紅外的吸收峰因為t2的增大而藍移.

圖14 介質(zhì)層厚度t1 和金屬層厚度t2 對性能的影響 (a) t1 對380—780 nm 透過率的影響;(b) t1 對1550 nm 吸收率的影響;(c) t2對380—780 nm 透過率的影響;(d) t2 對1550 nm 吸收率的影響Fig.14.Effect of medium layer thickness t1 and metal layer thickness t2 on properties: (a) Effect of t1 on transmittance of 380?780 nm;(b) effect of t1 on absorption rate of 1550 nm;(c) effect of t2 on transmittance of 380?780 nm;(d) effect of t2 on absorption rate of 1550 nm.

研究頂層微納結(jié)構(gòu)金屬Ag 的長l和寬w對超表面減反射膜性能的影響.從圖15(a),(c)可以看出,長方形Ag 塊的長度l和寬度w增大會導(dǎo)致超表面減反射膜在可見光波段的平均透過率呈下降趨勢.從圖15(b),(d)可以看出,吸收峰隨著l的增大而紅移且強度變化不大,隨著w增至150 nm,吸收峰藍移且強度增大,w增大超過150 nm 后吸收峰強度降低并有紅移趨勢.由圖14 和圖15 可知,同時兼顧可見光波段和近紅外目標波長上的高透射和低反射高吸收的性能需要各部分參數(shù)的相互配合,遺傳算法在設(shè)計超表面減反射膜當中起到重要作用,比掃描參數(shù)的傳統(tǒng)方法更有指向性地朝著最優(yōu)參數(shù)組合方向優(yōu)化,大大降低了時間成本.

圖15 圖案微納結(jié)構(gòu)的長l 和寬w 對性能的影響 (a) l 對380—780 nm 透過率的影響;(b) l 對1550 nm 吸收率的影響;(c) w 對380—780 nm 透過率的影響;(d) w 對1550 nm 吸收率的影響Fig.15.Effects of length l and width w on performance of patterned micro-nano structures: (a) Effect of l on transmittance of 380?780 nm;(b) effect of l on absorption rate of 1550 nm;(c) effect of w on transmittance of 380?780 nm;(d) effect of w on absorption rate of 1550 nm.

5 結(jié)論

本文結(jié)合D/M/D 多層膜系特性加入圖案化微納結(jié)構(gòu)金屬,利用遺傳算法設(shè)計了超表面減反射膜,其從功能上可以分為兩部分: 第一部分由下層Si3N4、中間層金屬Ag 以及上層Si3N4組成的與自由空間阻抗相匹配的減反增透薄膜;第二部分是由中間層金屬Ag、上層Si3N4以及頂層微納結(jié)構(gòu)Ag 陣列組成的諧振吸收器,激發(fā)出局域型等離激元引起近紅外吸收.在一個周期中,頂層微納結(jié)構(gòu)金屬的占空比僅為8.4%,可以在1550 nm 處產(chǎn)生吸收峰來實現(xiàn)抗反射效果的同時,不影響可見光電磁波的透過性能.本文所設(shè)計的超表面減反射膜總厚度僅為110 nm,具有質(zhì)輕且薄的特點,所選取的材料豐富可得,性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單而易于制備.本文將遺傳算法應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計上,對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化,數(shù)值模擬仿真的結(jié)果表明,該超表面減反射膜在380—780 nm 的平均透過率為88%,最大透過峰值可達94%;在1550 nm 處的反射率僅為10%,同時吸收率可達80%.為了更切合實際應(yīng)用場景的需求,對結(jié)構(gòu)進行改進,設(shè)計了十字交叉型金屬陣列,獲得偏振不敏感特性.改進結(jié)構(gòu)組成的超表面減反射膜可實現(xiàn)可見光平均透過率82%,1550 nm 處反射率5%的效果.與普通的減反增透薄膜相比,兩種超表面減反射膜可以在不影響成像質(zhì)量即可見光高透過的情況下,實現(xiàn)對特定波長的激光隱身的效果;與無透過的窄帶吸波器相比,超表面減反射膜不僅實現(xiàn)了近紅外激光波長的高吸收效果,還可以保證可見光高透過的性能.除此之外,通過調(diào)整頂層金屬的幾何參數(shù),可以選擇性地在特定激光波長上實現(xiàn)低反射高吸收的目標,這表明本文所提出的超表面減反射膜具有靈活可調(diào)節(jié)的特點,通過調(diào)節(jié)單一結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)就可以實現(xiàn)目標波長上的低反射高吸收效果,這為軍事上反貓眼探測策略提供了一種方案.

感謝國防科技大學楊俊波教授與廣西大學張振榮教授以及其他作者的討論.