基于多层MIM结构超材料的耐高温波长选择性宽带红外隐身特性研究

邹景岚,梁 广,朱志宏

(1.63893部队,河南 洛阳 471000；2.国防科技大学前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073)

1 引 言

红外隐身技术,是通过降低目标的红外辐射强度、改变目标的红外辐射特性等从而实现降低目标的可探测性的技术,被广泛应用于飞机、坦克、导弹等军事装备中实现对红外探测设备的“隐身”[1-11]。传统的红外隐身技术一般是采用金属或者低辐射率的涂层来抑制目标的红外辐射[12-13]。虽然这种方法可以实现红外隐身,但是因为目标红外辐射减少,能量积蓄效应会导致温度升高,过高的温度会烧毁涂层。同时,红外辐射功率与温度的四次方成正比,温度升高也必然导致红外辐射增强,隐身能力减弱[14]。所以,发展既能耐高温,又能在高温下抑制红外辐射的隐身技术显得非常必要和急需。为了克服这一矛盾,利用波长选择性的红外辐射是有效途径之一。具体而言,隐身层需在特定的大气窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有较低的发射率,以使其不可见,而在大气窗口之外(5 ～8 μm)用于辐射冷却波段却具有宽带的高发射率,其发射的5～8 μm波段电磁波由于大气层内部的衰减和吸收而无法被红外探测设备检测到,从而实现红外隐身[1,15-21]。

超材料是一种人工复合结构或复合材料,其单元结构或材料分布的空间变化具有亚波长周期性[22],概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格假设的介电常数和磁导率都为负值的物质,其电磁学特性与常规材料有较大差异[23],近年来引起了广泛关注。科学家们通过结构和尺寸设计可以构建具有任意有效介电常数和磁导率的超材料,实现了负折射率[24-25]、零折射率[26]、双曲各向异性[27]等超常电磁特性,可用于各种领域,如超透镜[28-31]、天线[32-33]等。特别的,超材料也被重点应用于实现波长选择性红外辐射电磁隐身[34-36]。2011年,美国波士顿大学的Liu等人通过设计多个十字型金属纳米结构超材料,结合混合共振的概念,在实验上实现了高Q值单频带和双频带的中红外完美发射/吸收器,基于此结构,超材料发射器不仅可以在理想黑体极限附近获得高发射率,并且可以在期望的波长范围内实现宽带发射谱[7]。2018年,国防科技大学Peng等人设计了一种基于Ag/Ge多层薄膜的选择性热发射器,该结构可以在大气窗口内实现低发射率(ε3～5 μm=0.18,ε8～14 μm=0.31,即红外“不可见”)和非大气窗口实现高发射率(ε5～8 μm=0.82,即辐射冷却),并且由于其平面结构的延展性,该结构可实现大面积制备[37]。然而,当前利用超材料实现波长选择性红外辐射隐身也有不足,一是辐射冷却波段5～8 μm的发射率较低,且带宽不够宽,导致目标温度很高,而这些研究都没有考虑温度升高对红外辐射率的影响；二是仅仅考虑的是垂直辐射时的波长选择性,没有考虑红外辐射的角度选择性。

本文致力于解决上面两个关键问题,提出和设计了基于耐高温金属材料钼Mo的多层MIM结构超材料,实现了5～8 μm波段的宽带高发射(吸收),中红外波段3～5 μm和远红外波段8～14 μm的宽带低发射(吸收),结果同时表明该隐身结构耐高温性能非常突出,在500～2500 K温度范围内其红外辐射特征都能被抑制,此外,红外辐射的角度选择性也较好,入射角在75°范围内时5～8 μm和8～14 μm波段辐射特性无明显变化。

2 物理分析与结构设计

红外隐身技术的核心是红外光与物质的相互作用问题,而红外光与物质的相互作用可以通过共振结构来增强和调控。超材料既可以实现电共振也可以支持磁共振,其中磁共振因为特殊的谐振特性和电磁场分布被广泛研究。1999年,Yen等人在微波波段提出了开口环谐振器来实现磁共振,其物理机理来源于垂直于开口环的入射光在开口环中激发了谐振增强的震荡电流,进而产生了垂直于开口环的磁偶极矩[38]。从那之后科学家们提出了许多新的超材料结构在光波段实现磁共振,例如渔网型[39]和纳米三明治型[40]。在我们的前期工作中我们发现金属-介质-金属(MIM)结构中可以激发磁共振模式[41]。MIM结构示意图如图1所示,根据Pendry等人的理论,上下金属层在红外波段可以分别被等效成两个不同的等效电感,同时,上下金属层之间的介质隔层可以被看作等效电容[25]。因此,图1中的MIM结构可以被看做一个等效的LC(inductance-capacitance)电路,此等效电路支持很强的磁共振,其中L1、L2表示等效电感,C代表等效电容。对于磁共振的一个更物理的理解是,当一束红外光以特定的偏振方向以及特定的频率从空气入射到结构上时,上下金属层的金属表面上的电荷会与入射电磁波发生共振并且会产生两个反向平行振荡的电流。产生的反向平行的电流与介质隔层中的电场矢量形成环路,磁场穿过环路。所以说,图中的MIM结构可以被看做一个等效的LC电路并且支持磁共振。根据分析,一层MIM结构支持几个不同阶数的磁共振,由谐振特性可知,其共振是窄带的,相应的只能实现窄带的红外发射(吸收)调控。如此,我们提出多层MIM结构的设计,实现宽带红外发射(吸收)调控。这是由于多层MIM结构能够提供多个磁共振,并且磁共振的共振频率可以通过等效L1、L2、C来调控,而等效L1、L2、C又是由金属的厚度和宽度、介质隔层的厚度等决定。如此,我们可以增加MIM结构的层数并设计相应的结构参数实现波长选择性宽带红外隐身。

图1 金属-介质-金属三明治结构单元及等效LC电路原理示意图Fig.1 Schematic diagram of metal-dielectric-metal sandwich structure unit and equivalent LC circuit principle

本文设计的结构由耐高温材料金属钼Mo和介质MgF2组成,如图2所示。这些单元结构周期性地排列可以形成一维光栅阵列和二维光栅结构超材料。由于一维光栅和二维光栅结构在参数相同的情况下只是偏振相关与否的差别,因此为了简化计算,只考虑基于一维光栅结构的多层结构超材料吸收器。分别设计了1层、3层、5层和7层超材料吸收器,其单元结构侧视图分别如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示,衬底为Mo,中间介质层为MgF2,上面的一维光栅阵列由Mo层和MgF2层交替堆叠,光栅阵列在y方向无限延伸,该吸收器的周期为p=2.5 μm,Mo衬底的厚度H1=0.1 μm,中间介质层MgF2的厚度D1=30 nm,一维光栅阵列宽度w=1.4 μm,其他参数分别为H2=80 nm,D2=60 nm,H3=100 nm,D3=30 nm,H4=120 nm,D4=100 nm,H5=120 nm。本文使用COMSOL Multiphysics进行全波数值模拟,设置x方向为周期边界条件,y方向为吸收边界,其中MgF2的折射率设定为1.4,Mo的折射率参数来自实验数据。

图2 基于多层结构的超材料红外隐身吸收器单元结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the unit structure of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure note

根据史蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),物体的红外辐射能量为E0=σεT4,式中σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数,ε为物体的发射率,T为物体的绝对温度[42]。因此,在温度一定时(即物体处于热平衡状态,此时的热辐射为平衡热辐射),红外辐射由材料发射率决定。而根据基尔霍夫定律(Kirchhoff laws)可知,在任意温度T和波长λ下,透明热平衡物体的发射率ε等于其吸收率α[43]。因此我们可以通过研究超材料结构的红外吸收率来得到其红外发射特性。为了设计和研究波长选择性红外辐射,我们需要知道大气吸收谱线。

我们使用MODTRAN仿真软件构建大气辐射传输模型,推导得出大气吸收谱线。MODTRAN(MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and computer model),即中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型,可以计算0 cm-1到5000 cm-1的大气辐射传输,光谱分辨率为2 cm-1。接着设置大气成分的相关参数,包括O2、O3、H2O、CO2和CH4等,观测高度设置为100 km,天顶角为180°,这里只考虑红外波段,因此设置光谱计算范围为1～14 μm,在计算过程中考虑了大气中几乎所有大气分子的散射、吸收以及云层、气溶胶的散射和吸收效应,假设经过云层和尘埃等反射之后的太阳辐射为1,因此只考虑大气透射和大气吸收,最后计算得出大气吸收谱线,如图3所示。从图3中可以看出红外波段的大气窗口主要有:近红外波段1.5～1.9 μm,中红外波段3～5 μm,远红外波段8～14 μm。基于此,可以进行红外隐身超材料的结构设计及仿真计算。

图3 MODTRAN得出的大气吸收谱线(经过滑动平均拟合过)Fig.3 The atmospheric absorption spectrum obtained by MODTRAN(fitted by moving average)

3 结果与讨论

3.1 入射光波长和角度对吸收/发射率的影响

首先考虑入射角为0即正入射情况,考虑TM模(磁场矢量与入射面垂直)入射,得到的吸收谱线如图4所示。分析图4中的吸收谱线可以发现,对于一层结构,有一个吸收峰位于6.95 μm,吸收率达到76.65 %,其吸收带宽为0.95 μm；对于三层结构,有两个吸收峰,分别位于5.75 μm和6.95 μm,吸收率分别可以达到99.98 %和87.7 %,其吸收带宽为2.05 μm；对于五层结构,有两个吸收峰,吸收率分别为99.68 %和99.97 %,吸收带宽为2.345 μm；对于七层结构,有三个吸收峰,分别位于5.3 μm,6 μm和6.9 μm,吸收率分别可以达到99.45 %,98.52 %和97.24 %,吸收带宽为3.1 μm。分析可知,光栅结构中层数堆叠越多,吸收器吸收带宽越宽,当堆叠层数为7层时,实现了5～8 μm波段的宽带高吸收,平均吸收率达90 %以上,这与我们前面的物理分析完全一致。相反地,我们也能发现,中红外波段3～5 μm和远红外波段8～14 μm的吸收率却相对较低,平均20 %以下。这意味着,我们提出的多层MIM结构在大气窗口之外(5～8 μm)具有宽带高发射率,但是其发射的5～8 μm波段电磁波由于大气层内部的衰减和吸收而无法被红外探测设备检测到,同时其在能被红外探测设备检测的大气窗口中(3～5 μm和8～14 μm)具有较低的发射率,也不易被探测,因此其具有宽波段红外不可见性,从而能实现宽带红外隐身。

图4 基于多层结构的超材料红外隐身吸收器在TM模式入射光下的吸收率和入射波长的关系Fig.4 The relationship between the absorptivity and the incident wavelength of the metamaterial infrared stealth absorber based on the multilayer structure under the incident light of TM mode

为了直观理解其物理机理,接着计算了这些不同层数超材料在各个吸收峰处的电、磁场分布,分别如图5、图6、图7、图8所示,计算中已将入射电场E和入射磁场H的大小进行了归一化处理,其中图5(a),图6(a)、(c),图7(a)、(c),图8(a)、(c)、(e)是电场分量Ey分布图,图5(b),图6(b)、(d),图7(b)、(d),图8(b)、(d)、(f)是磁场分量Hz分布图。分析这些图可知,各个吸收峰处对应的场具有显著特点:电场(位移电流)形成环,磁场从环中穿过。这是典型的磁共振模式的场分布特征,所以我们认为这是由于介质层内的磁共振被入射场激发,从而导致了吸收峰的出现,不同阶数的磁共振导致了不同共振峰的出现。

图5 一层结构超材料红外隐身吸收器在6.95 μm吸收峰处的归一化场分布Fig.5 Normalized field distribution of one-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 6.95 μm absorption peak

图6 三层结构超材料红外隐身吸收器在 5.75 μm和6.95μm吸收峰处的归一化场分布Fig.6 Normalized field distribution of three-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.75 μm and 6.95 μm absorption peak

图7 五层结构超材料红外隐身吸收器在 5.85 μm和6.95μm吸收峰处的归一化场分布Fig.7 Normalized field distribution of five-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

图8 七层结构超材料红外隐身吸收器 在5.3 μm,6 μm和6.9μm吸收峰处的归一化场分布Fig.8 Normalized field distribution of seven-layer structural metamaterial infrared stealth absorber at 5.85 μm and 6.95 μm absorption peak

前面考虑的是TM模式正入射的情况,接下来改变入射角度。这里以五层结构为例,图9描述了该一维光栅阵列多层结构红外隐身超材料吸收器的吸收率与入射角和波长的关系,我们发现当光谱范围在5.5～7.5 μm时,随着入射角的增加,吸收率逐渐降低,但当入射角在小于75°范围内时吸收器都可以保持超过60 %的吸收率。然而,当入射角继续增加到接近85°时,吸收率会有非常大的衰减。这是因为掠入射情况下,入射场绝大部分被结构的上界面反射,磁共振效应变得很弱,从而磁共振导致的增强吸收变弱。

图9 五层结构红外隐身超材料吸收器的吸收率与入射角和波长的关系Fig.9 The relationship between the absorption rate of the five-layer infrared stealth metamaterial absorber and the incident angle and wavelength

3.2 温度对红外隐身性能的影响

最后考虑温度对该多层超材料吸收器红外隐身性能的影响。由于使用的金属材料为Mo,Mo作为一种过渡金属材料,熔点很高,能达到2620 ℃,因此该多层超材料吸收器具有良好的耐高温特性。在计算中,假设来自物体的红外信号在地表附近的大气层中水平传输1 km。图10描述了黑体、常规表面和超材料吸收(发射)器(根据基尔霍夫辐射定律[Kirchhoff’s law of thermal radiation],物体的吸收率等于其发射率)在不同温度下的光谱辐射出射度的对比,其中黑体的光谱辐射出射度根据普朗克黑体

(a)500 K

(b)1200 K

(c)1800 K

(d)2500 K图10 不同温度下黑体、常规表面和红外隐身超材料吸收(发射)器的光谱辐射出射度Fig.10 Spectral radiation output of blackbody law, conventional surface and infrared stealth metamaterial absorber(emitter)at different temperatures

辐射定律计算:

(1)

式(1)中h是普朗克常数;c是真空中的光速;K是玻尔兹曼常数;T是温度;λ是入射光波长。结合图4中的吸收数据可以计算得到常规表面和红外隐身超材料吸收(发射)器的结果。

可以看到,在T=500 K,1200 K,1800 K和2500 K时,提出的超材料吸收器仍保持良好的性能,这意味着吸收器在不同温度下都能正常工作。具体来说,在T=500 K时,中红外MWIR和远红外LWIR波长范围内的红外辐射分别降低90.21 %和83.52 %。当温度变为1200 K时则降低90.35 %和82.26 %,在温度为1800 K时分别为90.25 %和82 %,温度为2500 K时则分别为90.19 %和81.86 %。这意味着在不同温度下该多层结构红外隐身超材料吸收器的红外辐射特性都会大幅度降低,从而在较大的温度范围内都能实现红外隐身。同时,在计算的整个光谱范围3～12.4 μm,该红外隐身超材料吸收器的热辐射能力在温度为500 K,1200 K,1800 K和2500 K时,分别能降低到黑体辐射能力的40 %,29.53 %,26.46 %和25.03 %。如果可探测度下降90 %,这里可以假设一个辐射度是0.1的灰体(与黑体相比,其红外辐射强度降低90 %),那么在研究的波长范围3～12.4 μm内,该超材料吸收器的热辐射在温度为500 K时相比灰体增加了300 %,而在5～8 μm光谱范围内则增加了621 %。当温度上升至1200 K时,这两个值分别为195 %和576 %,温度为1800 K时,热辐射相比灰体在这两个光谱范围内增加了165 %和564 %,而当温度升到2500 K时,热辐射增加了150 %和558 %。

4 结 论

本文利用耐高温金属材料钼Mo和介质MgF2材料设计了一种耐高温宽带多层MIM超材料隐身结构。分别研究了MIM的层数为1层、3层、5层和7层结构对红外吸收光谱的影响,结果表明随着堆叠层数的增加,高吸收对应的带宽逐渐增大,当层数为7层时,吸收带宽达到3.1 μm,实现了覆盖5～8 μm波段的宽带高吸收,同时也实现了中红外波段3～5 μm和远红外波段8～14 μm的宽带低吸收。进一步研究了该结构红外吸收的角度和温度特性,结果表明,该隐身结构角度选择性较好,75°范围内时5～8 μm和8～14 μm波段辐射特性无明显变化；同时,该隐身结构耐高温性能非常突出。本文提出的超材料隐身结构具有良好的军事应用前景,实际应用中一般需要大规模制备,可以通过纳米压印光刻或激光直接写入等方法实现。