材料激光隱身技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

林文學(xué)

(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

0 引言

軍事激光技術(shù)在戰(zhàn)場上的廣笵應(yīng)用，對戰(zhàn)場目標(biāo)的生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光探測、制導(dǎo)器材的性能必定會(huì)越來越高，這就給激光隱身技術(shù)提出了越來越高的要求。激光隱身技術(shù)已成為現(xiàn)代隱身技術(shù)的重要方面，是軍事目標(biāo)隱身領(lǐng)域的戰(zhàn)略，戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)斗的迫切需要。

1 激光隱身原理

激光具有高的方向性、單色性和相干性。因此，激光雷達(dá)、測距機(jī)、制導(dǎo)系統(tǒng)和指示器常用向目標(biāo)發(fā)射一定波長的激光，通過接受其反射回波來探知目標(biāo)的距離。激光器探測方程為[1]：

PT是發(fā)射的激光功率；PR是接收的激光回波功率；ΩT是發(fā)射波束的立體角；Ωr是目標(biāo)散射波束立體角；Ar是目標(biāo)面積；Ac是接收機(jī)有效孔徑面積；ρ 是目標(biāo)反射率；τ 是單向傳輸路徑透過率；R 是激光雷達(dá)作用距離。

由（1）式知實(shí)現(xiàn)激光隱身主要措施是最大限度的降低目標(biāo)對激光的反射率ρ，減小目標(biāo)面積Ar，增大目標(biāo)散射波束立體角Ωr，以有效地降低激光雷達(dá)、激光測距機(jī)、激光制導(dǎo)武器的作用距離。激光隱身的主要途徑就是采用外形技術(shù)和材料技術(shù)。

2 材料隱身技術(shù)

2.1 光學(xué)干涉隱身[2]

利用光學(xué)干涉原理來設(shè)計(jì)和研究光譜吸收涂料也是一種重要手段。若在折射率為no的入射介質(zhì)（若為空氣no=1）和折射率為n1的基底介質(zhì)之間涂上一層厚度為d，折射率為n 的薄層材料，當(dāng)光垂直入射且薄層的光學(xué)厚度為(k=0，1，2…)（no＜n＜n1）時(shí)，從涂層上下表面反射波迭加發(fā)生干涉，相互抵消，致使反射光強(qiáng)減弱。此薄層的反射率

因此只要適當(dāng)選擇具有合適折射率的隱身涂料，并嚴(yán)格控制薄層的厚度，就可以制備在某一特定波長反射率很小的涂料，達(dá)到特定波長激光隱身的目的。但在實(shí)際涂敷時(shí)，用于涂層的厚度不易精確掌握，而且吸收波段窄，因此，該方法的實(shí)際應(yīng)用具有一定的技術(shù)難度。

2.2 摻雜半導(dǎo)體材料隱身[3-4]

根據(jù)半導(dǎo)體連續(xù)光譜理論，可見紅外波段光波在半導(dǎo)體中的傳播特性與所謂等離子ωρ密切相關(guān)[5]。等離子頻率及相應(yīng)的等離子波長由下式表示：

其中的m 為電子的有效質(zhì)量，ε0為真空介電常數(shù)，N 為載流子濃渡，e 為電子電荷，c 為真空光速。當(dāng)入射光的頻率ω＞ωρ時(shí)，半導(dǎo)體具有電介質(zhì)的特性，有很高的透過率，很低的反射率和吸收率，當(dāng)入射光的頻率ω＜ωρ時(shí)，半導(dǎo)體具有金屬的特性，有很高的反射率。而半導(dǎo)體的ωρ主要取決于它的載流子濃度N，因此通過控制半導(dǎo)體摻雜濃度來控制其載流子濃度，進(jìn)而控制半導(dǎo)體材料的等離子頻率ωρ，以實(shí)現(xiàn)激光隱身。

2.3 光致變色材料隱身

光致變色技術(shù)是利用某些介質(zhì)的物理或化學(xué)特征，使入射激光波穿透或反射后變成另一種波的光波。

以無機(jī)化合物為例。研究表明[6]，很多摻稀土和過渡金屬離子的晶體，能使入射激光穿透或反射后變成另一波長的光波。其光致變色的物理機(jī)制是利用物質(zhì)受激發(fā)射斯托克斯熒光來實(shí)現(xiàn)的，物質(zhì)的熒光是較高能級對較低能級的自發(fā)躍遷輻射，發(fā)射熒光的波長大于激發(fā)光的波長。它有兩種情況[7]：一種是原子吸收光子被激發(fā)后，從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射熒光返回到比基態(tài)稍高的某個(gè)能級上，如圖1 所示。激發(fā)態(tài)是單高能級3，而低能級為1、2，如果激發(fā)光使電子發(fā)生1→3 躍遷，而熒光躍遷發(fā)生在3→2 能級之間，依據(jù)愛因斯坦原子吸收與輻射理論，介質(zhì)原子吸收激發(fā)光子的頻率為，介質(zhì)原子自發(fā)躍遷發(fā)射熒光光子的頻率為

由于E3-E1＞E3-E2故v2＜v1

另一種情況是所謂碰撞輔助發(fā)射，碰撞輔助是指兩個(gè)很靠近的能級存在有效的碰撞混合，通過碰撞，被激發(fā)到高能級后的原子過渡到比激發(fā)態(tài)稍低的某個(gè)能級上，再從這個(gè)能級向下躍遷發(fā)射熒光，如圖2 所示。高能級是3、4，低級是1、2，如果激發(fā)光頻率為的光子被介質(zhì)電子吸收從低能級1 躍 遷到高能級4 后，電子經(jīng)過碰撞無輻躍遷到能級3，然后由能級3 躍遷到低能級2，并發(fā)射熒光光子，光子頻率為

圖1 斯托克斯熒光三能級圖

圖2 斯托克斯熒光四能級圖

由此可見，為要實(shí)現(xiàn)光致變色隱身所選擇的材料必須具有如圖1、圖2 所示的兩種能級結(jié)構(gòu)，并且對其入射激光具有強(qiáng)的選擇吸收。某些晶體材料由于強(qiáng)弱振子介電耦合原因能夠在某一波長，如1.06μm 處有強(qiáng)吸收性能[8]。

因此，用合適的光致變色材料制成隱身涂料，就有可能實(shí)現(xiàn)激光隱身。

2.4 強(qiáng)吸收材料隱身[9]

采用低反射高吸收的物質(zhì)對目標(biāo)進(jìn)行激光隱身。這類材料的吸收可以分為線性吸收、非線性吸收以及選擇性吸收等。線性吸收型主要有金屬氧化物、金屬有機(jī)配合物。比如有些稀土氧化物由于能級豐富在1.06μm 波長附近出現(xiàn)了特征吸收峰。有些金屬配合物在近紅外和中遠(yuǎn)紅外出現(xiàn)吸收帶。

非線性吸收的物質(zhì)，比如具有反飽和吸收和雙光子吸收的物質(zhì)，如C60、酞菁染料等，Kμmar.G.A 等[10]人研究LaPc、Nd Pc、Eu Pc 時(shí)發(fā)現(xiàn)他們具有反飽和吸收特性。由于反飽和和雙光子非線性吸收物質(zhì)的激光能量閾值比較大，限制了其在激光隱身材料方面的應(yīng)用。最近有人報(bào)道鐵的超細(xì)粉具有強(qiáng)烈的紅外吸收性能，可以見這類物質(zhì)將在激光隱身材料中具有重要的價(jià)值。

當(dāng)波長的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，對應(yīng)的激光將被強(qiáng)烈的吸收，由于目前大量裝備的激光制導(dǎo)武器都采用1.06μm 的激光波長，所以采用合適能帶寬度的半導(dǎo)體能有效實(shí)現(xiàn)激光隱身。

2.5 漫反射涂層

如果材料是有高大角度激光反射率，就有可能降低目標(biāo)的激光可視性，實(shí)現(xiàn)對激光探測方式的隱身。研究表明[11]，當(dāng)表面具有一定的粗糙度時(shí)，表面無序引起的散射關(guān)系發(fā)生了變化，入射電磁波和表面電磁模式的耦合成為可能。而且，入射電磁波轉(zhuǎn)換成表面電磁模式以后在沿表面?zhèn)鞑ミ^程中，由于表面粗糙無序性形成的隨機(jī)散射勢，使表面電磁模式形成所謂Arderson 局域而被表面吸收，比輻射率、鏡反射率和漫反射率都很低，從而以實(shí)現(xiàn)激光隱身。

2.6 采用高透和導(dǎo)光材料隱身

由于探測用的激光能量比較小，對于一般的設(shè)備不產(chǎn)生大的傷害，可以采用對激光波長具有高透射性能的材料，把激光能量導(dǎo)入到介質(zhì)中然后通過改變激光的出射途徑或者在目標(biāo)內(nèi)部把激光吸收掉，比如可以把保護(hù)層設(shè)計(jì)成夾層狀，夾層里充入對激光吸收能力很強(qiáng)的物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)激光隱身。

3 結(jié)束語

激光隱身的實(shí)現(xiàn)與理論的突破密切相關(guān)。目前，激光隱身還存在著大量的理論與技術(shù)難題，這方面的工作有待進(jìn)一步深入。同時(shí)，隨著多波段探測和制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，多波段復(fù)合隱身技術(shù)是隱身技術(shù)的發(fā)展方向。因此，探索新技術(shù)、新方法、積極開展新的隱身機(jī)理和新型多功能隱身材料的研究，特別是新型涂敷型多功能，多頻譜兼容的隱身材料是新的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

［1］馬超杰，吳丹，王科偉.激光隱身技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2005，20(3)：36-40.

［2］李洪.激光隱身涂料的初步研究.隱身技術(shù)[J].1993(2)：59.

［3］吳伶芳，謝國華，吳瑞彬，等.激光紅外隱身兼容涂料及前景分析[J].宇航材料工藝，2001(2)：1-3.

［4］于斌，齊魯.多功能隱身材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].紅外技術(shù)，2003(3)：63-66.

［5］Bach W et.al.Materialien Eur Multispectralen Tarnung Lmvisuellen，IR-and Micro/Millimeierwellen Bereich.1987，De3600691[Z].

［6］干福熹，鄧佩珍.激光材料[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1996.

［7］陸同興，路軼群.激光光譜技術(shù)原理及應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

［8］戴松濤，張光寅，張存洲.強(qiáng)弱振子介電耦合引起的光譜挖孔現(xiàn)象[J].隱身技術(shù)，1993(3)：1-6.

［9］崔運(yùn)國，陸春華，許仲梓.激光威肋與對策[J].激光與紅外，2005，35(5)：315-318.

［10］Kumar C A，Thomas，J Unnikrishnan N V，et al.Optical properties of phthalocyanine molecules in Cyano acrylate polymer matrix[Z].Materials Research Mulletin，2001，36(1-2)：1-8.

［11］Aspnes.DE.Optical response of microscopically rough surface[J].phys，Rev.B，1990，41(10)：10 344-10 343.