紅外低輻射膜的設(shè)計、制備與表征

韓建龍，邱桂花，張瑞蓉，王 雯，王益珂，譚東東，于名訊

〈材料與器件〉

紅外低輻射膜的設(shè)計、制備與表征

韓建龍1，邱桂花1，張瑞蓉1，王 雯1，王益珂1，譚東東2，于名訊1

（1. 山東非金屬材料研究所，山東 濟南 250031；2. 陸裝南京軍代局泰安軍代室，山東 泰安 271039）

為了降低紅外探測技術(shù)對軍事目標(biāo)生存能力的威脅，研制了紅外低輻射膜。設(shè)計并制備了基于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的紅外低輻射膜，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，改善了其紅外波段反射性能，并降低了薄膜總厚度。采用紅外橢偏儀測試了原材料Ge膜和ZnS膜的厚度和折射率，將測試結(jié)果帶入設(shè)計結(jié)構(gòu)，制備了8～12mm發(fā)射率分別為0.045、0.097、0.174和0.346的紅外低輻射膜。研究結(jié)果表明，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可制備出不同發(fā)射率的紅外低輻射膜，滿足武器裝備不同輻射背景下的紅外隱身要求。

一維光子晶體；紅外低輻射膜；橢圓偏振測量；紅外反射率；紅外發(fā)射率

0 引言

紅外探測技術(shù)不斷發(fā)展，探測距離越來越遠(yuǎn)，探測角度越來越大，已廣泛應(yīng)用于海陸空領(lǐng)域[1-3]，對武器裝備構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此，紅外隱身材料的研發(fā)與制備引起了廣泛重視[4-5]。一維光子晶體是介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)材料在一個方向上周期性交替排列的結(jié)構(gòu)，具有光子禁帶和光子局域的特性[6-7]。一維光子晶體光子禁帶位于紅外波段時，可以實現(xiàn)低紅外發(fā)射率，滿足武器裝備紅外隱身要求[8-9]。

本論文以一維光子晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計了不同厚度的紅外低輻射膜；制備了單層Ge膜和ZnS膜，采用紅外橢圓偏振測量儀精確測試并擬合了其厚度和光學(xué)參數(shù)；將擬合結(jié)果代入設(shè)計結(jié)構(gòu)，制備了不同厚度的紅外低輻射膜；測試了紅外低輻射膜的紅外反射光譜及紅外發(fā)射率，測試結(jié)果與設(shè)計結(jié)果一致。

1 紅外低輻射膜的設(shè)計與優(yōu)化

1.1 一維光子晶體的高反射原理

一維光子晶體材料結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示，圖中Sub為一維光子晶體的基底，H為高折射率材料的折射率，H為高折射率材料的厚度，L為低折射率材料的折射率，L為低折射率材料的厚度，為晶格常數(shù)（單個周期結(jié)構(gòu)的厚度）。其結(jié)構(gòu)類似于光學(xué)多層介質(zhì)膜[10]，是介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)材料在一個方向上周期性交替排列的結(jié)構(gòu)。

圖1 一維光子晶體材料的結(jié)構(gòu)模型

本文利用基于平面波展開法的Rsoft軟件Band Solve模塊計算圖1所示的一維光子晶體材料的能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2(a)。利用基于傳輸矩陣法的Essential Macleod軟件計算了其頻率-反射譜，見圖2(b)。兩種計算方法采用的一維光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，均為H＝4.004、H＝0.2mm、L＝2.185、L＝0.397mm、＝0.597mm，高低折射率材料排列的周期數(shù)＝6。

圖2 光子禁帶與反射光譜對比圖

圖2(a)中，縱坐標(biāo)為無量綱頻率，橫坐標(biāo)為布洛赫波矢，在所計算的頻率范圍內(nèi)，存在0.139～0.209、0.486～0.556、0.834～0.904、1.181～1.251四個光子禁帶，光子禁帶的寬度均為0.07。圖2(b)中，縱坐標(biāo)為無量綱頻率，橫坐標(biāo)為反射率，在對應(yīng)的4個光子禁帶的范圍內(nèi)，對入射光的反射率均為100%。通過平面波展開法計算得到的光子禁帶與通過傳輸矩陣法計算得到的光譜高反射帶一一對應(yīng)，以上兩種方法分別是基于不同的物理概念和計算式，但是對同樣的光（電磁波）傳播現(xiàn)象，得到的結(jié)果是相通的。

1.2 紅外低輻射膜設(shè)計

從圖2可知，在光子禁帶范圍內(nèi)，材料對入射電磁波具有100%的反射率，可通過調(diào)整一維光子晶體的晶格常數(shù)、材料組成、填充比等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其光子禁帶位于紅外波段[11]，有效抑制目標(biāo)表面的紅外輻射，實現(xiàn)目標(biāo)的紅外隱身。

采用Ge為高折射率材料H、ZnS為低折射率材料L，設(shè)計了結(jié)構(gòu)為sub｜(0.75L0.75H)6(LH)6｜air的紅外低輻射膜，見圖3。其中，Sub為K9玻璃，其厚度為1mm，Ge的折射率為4.004（@11.0mm），厚度為0.718mm，ZnS的折射率為2.185（@11.0mm），厚度為1.320mm，膜層總厚度為21.399mm。

圖3 紅外低輻射膜剖面示意圖

根據(jù)布拉格定理可知，一維光子晶體的光子禁帶的中心波長處頻率為：

式中：1、2為組成一維光子晶體的材料的折射率；為真空中電磁波的傳播速度；為晶格常數(shù)。

一維光子晶體的光子禁帶的帶寬為：

將設(shè)計的紅外低輻射膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入公式(1)和(2)，經(jīng)計算可得到，設(shè)計的紅外低輻射膜的兩個光子禁帶的中心波長為8.64mm、11.52mm，光子禁帶的帶寬為3.19mm、4.25mm，光子禁帶的波長范圍為7.36～10.55mm、9.82～14.07mm。從計算可知，設(shè)計的紅外低輻射膜的光子禁帶位于紅外波段，但是單個光子禁帶無法覆蓋8～14mm整個紅外波段，兩個光子禁帶疊加后，光子禁帶的范圍變寬為7.36～14.07mm，可實現(xiàn)8～14mm整個紅外波段的紅外高反射、低輻射。

采用Essential Macleod軟件計算了紅外低輻射膜的反射光譜如圖4所示，該紅外低輻射膜在8～14mm的理論平均紅外反射率為99.6%，理論紅外發(fā)射率為0.004，理論計算結(jié)果與光子的禁帶的設(shè)計結(jié)果相符。

圖4 紅外低輻射膜的理論反射光譜

1.3 紅外低輻射膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用Essential Macleod軟件對薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了紅外低輻射膜的厚度，不同厚度的紅外低輻射膜的理論反射光譜如圖5所示。

設(shè)計并優(yōu)化的紅外低輻射膜的厚度與其在8～14mm的理論平均反射率如表1所示。

從表1可以看出：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，當(dāng)紅外低輻射膜的厚度降低到11.35mm時，厚度降低了46.7%，平均反射率降低了1.5%；當(dāng)紅外低輻射膜的厚度降低到6.98mm時，厚度降低了67.2%，平均反射率降低了8.7%；當(dāng)紅外低輻射膜的厚度降低到2.41mm時，厚度降低了88.7%，平均反射率降低了17.3%；當(dāng)紅外低輻射膜的厚度降低到0.63mm時，厚度降低了97.0%，平均反射率降低了32.3%。

圖5 不同厚度的紅外低輻射膜的理論反射光譜

武器裝備紅外隱身的基本原則是目標(biāo)與背景的紅外輻射特性相融合，并不是紅外發(fā)射率越低越好[12-13]。因此，在實際的應(yīng)用過程中，可根據(jù)武器裝備的具體使用環(huán)境，設(shè)計并制備不同發(fā)射率的紅外低輻射膜，即滿足了武器裝備紅外隱身的需求，又可降低加工難度，提高膜層的使用性能。

2 紅外低輻射膜的制備

2.1 Ge膜和ZnS膜的制備及光學(xué)參數(shù)提取

首先采用真空蒸鍍工藝在硅基底上制備了單層Ge膜和單層ZnS膜，采用J. A. Woollam公司生產(chǎn)的IR-VASE Mark Ⅱ紅外橢圓偏振測量儀測試了經(jīng)過單層膜反射后出射光的振幅差（Psi）和相位（Delta），采用數(shù)據(jù)處理軟件CompleteEASE建立模型，對測試結(jié)果進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，通過建立模型計算得到的曲線與測試曲線基本重合，因此擬合所用的厚度和光學(xué)參數(shù)可視為制備的單層Ge膜和ZnS膜的厚度和光學(xué)參數(shù)。將建模所用參數(shù)提取出來，經(jīng)計算得到了Ge膜和ZnS膜折射率，并與Essential Macleod軟件數(shù)據(jù)庫中的Ge膜和ZnS膜的折射率進(jìn)行了對比，如圖7所示。

表1 不同厚度的紅外低輻射膜的理論紅外性能

圖6 鍺膜（a）和硫化鋅膜（b）的擬合結(jié)果與測試結(jié)果對比圖

圖7 Ge膜（a）和ZnS膜（b）的折射率

從圖7可以看出，制備的單層Ge膜在3～14mm的折射率為4.076～4.143，單層ZnS膜在3～14mm的折射率為2.199～2.221；軟件數(shù)據(jù)庫中的Ge膜在3～14mm的折射率為4.001～4.048，ZnS膜在3～14mm的折射率為2.130～2.258。制備的Ge膜和ZnS膜與數(shù)據(jù)庫中的Ge膜和ZnS膜的折射率差值分別為0.075～0.095、－0.037～0.069，折射率差異率分別為1.87%～2.35%、－1.64%～3.24%。

將測試厚度與設(shè)備輸入厚度進(jìn)行對比得到了Ge膜和ZnS膜停鍍點和tooling值，如表2所示。從表2可以看出，制備的Ge膜和ZnS膜的設(shè)備監(jiān)控與實測厚度差為3.01%和12.99%。

從圖7和表2可以看出，真空鍍膜設(shè)備制備的薄膜的厚度和光學(xué)參數(shù)與設(shè)備監(jiān)控厚度和理論光學(xué)參數(shù)有較大差異，如果直接按照設(shè)計結(jié)果進(jìn)行鍍膜，無法準(zhǔn)確實現(xiàn)設(shè)計結(jié)果。

2.2 不同厚度紅外低輻射膜的參數(shù)修正

將測試的單層Ge膜和ZnS膜的光學(xué)常數(shù)代入到設(shè)計結(jié)果中，對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修正，修正后紅外低輻射膜的反射光譜如圖8所示。

表2 制備的Ge膜和ZnS膜停鍍點和tooling值

圖8 修正后紅外低輻射膜理論反射光譜

采用真空蒸鍍工藝，按照修正的結(jié)構(gòu)在K9玻璃基底上制備了設(shè)計厚度為21.4mm、6.98mm、2.41mm和0.63mm的紅外低輻射膜樣品，制備過程中Ge膜和ZnS膜的tooling值分別為1.03、0.87，樣品照片如圖9所示。

圖9 紅外低輻射膜樣品照片

3 紅外低輻射膜的表征

3.1 紅外反射光譜測試表征

采用Bruker公司的VERTEX 70V傅里葉紅外光譜儀對4種不同厚度的紅外低輻射膜的紅外光譜進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖10所示。

計算了制備的紅外低輻射膜在8～14mm的平均反射率，并與理論平均反射率進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，制備的紅外低輻射膜在8～14mm理論與實測平均反射率差值≤2.3%。

從圖10和表3可以看出，通過采用橢圓偏振測量儀對單層膜的光學(xué)參數(shù)和厚度的精確修正后，制備的紅外低輻射膜可很好地實現(xiàn)設(shè)計結(jié)果。

圖10 制備的紅外低輻射膜的反射光譜

3.2 紅外隱身性能表征

采用美國SOC公司ET10便攜式紅外發(fā)射率測量儀測試了紅外低輻射膜的紅外發(fā)射率，設(shè)備的測試波段為8～12mm，計算了紅外低輻射膜在8～12mm波段的平均反射率，根據(jù)發(fā)射率＝1－平均反射率，計算了紅外低輻射膜在8～12mm波段理論發(fā)射率，與測試結(jié)果進(jìn)行了對比，如表4所示。

從表4可以看出，理論與實測發(fā)射率差值≤0.033，理論設(shè)計結(jié)果、反射光譜測試結(jié)果和發(fā)射率測試結(jié)果可以較好地對應(yīng)。

表3 8～14mm理論與實測平均反射率對比表

表4 在8～12mm波段理論設(shè)計結(jié)果、反射光譜測試結(jié)果和發(fā)射率測試結(jié)果對比表

4 結(jié)語

本文以一維光子晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅度降低了膜層總厚度；采用橢圓偏振測量儀精確測試并計算了Ge膜和ZnS膜的折射率和消光系數(shù)，將擬合結(jié)果帶入設(shè)計結(jié)構(gòu)，制備了厚度分別為21.3mm、6.98mm、2.41mm和0.63mm的紅外低輻射膜；采用傅里葉紅外光譜儀測試了4種紅外低輻射膜在8～14mm的反射光譜，采用便攜式紅外發(fā)射率測量儀測試了紅外低輻射膜在8～12mm的發(fā)射率，分別為0.045、0.097、0.174和0.346，并將測試結(jié)果與設(shè)計結(jié)果進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證紅外隱身性能的前提下，可大幅度降低紅外低輻射膜的厚度；采用橢圓偏振測量儀，可對單層膜的厚度和光學(xué)參數(shù)進(jìn)行精確測試和擬合；經(jīng)參數(shù)修正后，制備的紅外低輻射膜的反射光譜和紅外發(fā)射率可很好地實現(xiàn)理論設(shè)計結(jié)果。

[1] 錢昂, 何友金, 劉亮. 反艦導(dǎo)彈中波與長波紅外成像制導(dǎo)優(yōu)勢對比研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(8): 671-675.

QIAN Ang, HE Youjin, LIU Liang. A comparative study of the advantage of infrared imaging guidance anti-ship missiles based on medium wave and long-wave[J]., 2014, 36(8): 671-675.

[2] 趙峰民, 劉皞, 陳望達(dá). 微波/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展分析[J]. 激光與紅外, 2012, 42(1): 8-10.

ZHAO Fengmin, LIU Hao, CHEN Wangda. Analysis of the development of radar/IR compound guidance technique[J]., 2012, 42(1): 8-10.

[3] 吳濤, 白云塔. 激光/紅外復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)研究綜述[J]. 紅外, 2008, 29(9): 6-8.

WU Tao, BAI Yunta. Overview of research on laser/infrared compound guidance techniques[J]., 2008, 29(9): 6-8.

[4] 李永波, 朱洪利, 張寶芹, 等. 隱身涂料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 材料導(dǎo)報, 2015, 29(26): 358-360.

LI Yongbo, ZHU Hongli, ZHANG Baoqin, et al. Research status and development trend of stealth coating[J]., 2015, 29(26): 358-360.

[5] 王子君. 基于冷屏和隱身薄膜的熱源目標(biāo)紅外隱身研究[D]. 合肥: 中國科技大學(xué), 2018: 2-11.

WANG Zijun. Infrared Stealth of Heat Source Target based on Cold Plate and Stealth Film[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2018: 2-11.

[6] QI Dong, WANG Xian, CHENG Yongzhi, et al. Design and charac- terization of one-dimensional photonic crystals based on Zns/Ge for infrared-visible compatible stealth applications[J]., 2016, 62: 52-56.

[7] 杜宏艷, 戚宇帆, 吳晨雪, 等. SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜的制備與光學(xué)性能研究[J]. 材料工程, 2019, 47(12): 111-117.

DU Hongyan, QI Yufan, WU Chenxue, et al. Preparation and optical properties of SiO2photonic crystal structured color films[J]., 2019, 47(12):111-117.

[8] 王志迅. 一維光子晶體在紅外隱身材料應(yīng)用方面的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2015: 38-47.

WANG Zhixun. Design and Implementation of One-Dimensional Photonic Crystal in Infrared Stealth Materials[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2015: 38-47.

[9] 盧儀, 卜小海, 李棟先, 等. 基于光子晶體的紅外隱身材料研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2019, 56(8): 080003-1-9.

LU Yi, BU Xiaomei, LI Dongxian, et al. Research progress of infrared stealth materials based on photonic crystals[J]., 2019, 56(8):080003-1-9.

[10] 李康文, 李享成, 陳平安, 等. 基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體紅外3～5μm高反射鏡設(shè)計[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2018, 38(9): 092201-1-6.

LI Kangwen, LI Xiangcheng, CHEN Pingan, et. al. Design of one-dimensional photonic crystal high mirror based on heterostructure at 3～5μm[J]., 2018, 38(9): 092201-1-6.

[11] 林偉麗, 邱桂花, 于名訊, 等. 一維光子晶體兼容隱身材料研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程, 2017, 40(6): 114-118.

LIN Weili, QIU Guihua, YU Mingxun, et al. Research progress of one-dimensional photonic crystal compatible stealth materials[J]., 2017, 40(6):114-118.

[12] 付偉. 紅外隱身原理及應(yīng)用技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2002, 31(1): 88-92.

FU Wei. Principle and application technology of IR stealth[J]., 2002, 31(1):88-92.

[13] 謝民勇, 沈衛(wèi)東, 宋斯洪, 等. 基于目標(biāo)與背景紅外輻射對比度的紅外隱身效能研究[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(2): 113-115.

XIE Minyong, SHEN Weidong, SONG Sihong, et al. Effectiveness evaluation of infrared stealth based on the constant of target and background infrared radiation[J]., 2011, 33(2):113-115.

Design, Preparation and Characterization of Infrared Low-Emissivity Film

HAN Jianlong1，QIU Guihua1，ZHANG Ruirong1，WANG Wen1，WANG Yike1，TAN Dongdong2，YU Mingxun1

(1. Shandong Non-metallic Materials Institute, Ji’nan 250031, China; 2. Tai’an Military Representative Office of Army Equipment Department, Tai’an 271039, China)

Military targets require infrared (IR) stealth performance because of the rapid development of IR detection technology. In this study, an IR low-emissivity film based on a one-dimensional photonic crystal structure was designed and fabricated. The IR reflectance of the low-emissivity film was improved, and the total thickness of the film was reduced by optimizing its construction parameters. The thickness and optical parameters of the Ge and ZnS film prepared via vacuum evaporation were tested using an IR ellipsometer. The IR low-emissivity films with IR emissivities of 0.045, 0.097, 0.174, and 0.346 were prepared via vacuum evaporation after the optimized test results were incorporated into the crystal structure design. The IR reflectivity of the IR low-emissivity films was measured using a Fourier-transform IR spectrometer. The test results agreed well with the calculated results.

one-dimensional photonic crystal, infrared low-emissivity film, elliptical polarization test, infrared reflectivity, infrared emittance

TN213

A

1001-8891(2022)03-0249-06

2021-05-07；

2021-06-16.

韓建龍（1986-）男，高級工程師，主要從事可見光、紅外、太赫茲等隱身材料與技術(shù)的研究。E-mail: jianlongmail@126.com。