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(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院,廣西多媒體通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530004)

2) (國(guó)防科技大學(xué)物質(zhì)與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,長(zhǎng)沙 410073)

3) (西南科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院,綿陽 621010)

各類光電設(shè)備的光學(xué)窗口中普遍存在的“貓眼效應(yīng)”是激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的主要依據(jù),這對(duì)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(duì)激光主動(dòng)探測(cè)的狙擊隱身方案仍然有待商榷.本文利用遺傳算法對(duì)超表面減反射膜進(jìn)行逆向設(shè)計(jì),用Si3N4 和Ag 組成三層減反增透膜,并在其頂層增加長(zhǎng)方形陣列的微納結(jié)構(gòu)金屬形成波長(zhǎng)選擇性吸收器,以實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)低反射高吸收的效果.將器件設(shè)計(jì)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(biāo)性能的參數(shù)組合,達(dá)到了可見光平均透過率88%,最大透過峰值94%,1550 nm 激光波長(zhǎng)反射率10%,吸收率80%的效果.本文設(shè)計(jì)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(shí)能有效減小激光的回波能量,從而高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)可見光透過與激光隱身的兼容,為反貓眼探測(cè)的作戰(zhàn)策略提供了一種行之有效的設(shè)計(jì)思路.

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(gè)國(guó)家軍隊(duì)單兵作戰(zhàn)關(guān)注的對(duì)象,世界各國(guó)不遺余力地訓(xùn)練優(yōu)秀狙擊手的同時(shí),對(duì)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(cè)系統(tǒng)[2]是反狙擊探測(cè)系統(tǒng)之一,通過布置麥克風(fēng)陣列來接收子彈出膛以及飛行時(shí)產(chǎn)生的沖擊信號(hào),從而對(duì)到達(dá)麥克風(fēng)陣列的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算,大致定位出狙擊手方位.聲探測(cè)系統(tǒng)的工作原理限制了使用場(chǎng)景,聲探測(cè)系統(tǒng)在多名狙擊手同時(shí)作戰(zhàn)的場(chǎng)景下很難分辨出具體方位,由于設(shè)備眾多,聲探測(cè)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(cè)系統(tǒng)只能確定狙擊手的方位,無法進(jìn)行精確定位.自1990 年代起,光電對(duì)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(cè)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(hào)以精確判斷狙擊手位置.但是紅外反狙擊手探測(cè)屬于被動(dòng)探測(cè)方式,只有當(dāng)狙擊手開槍后才能定位,開槍與定位的時(shí)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(cuò)誤判斷影響戰(zhàn)略部署.同時(shí),紅外探測(cè)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(jìn)一步發(fā)展和實(shí)際作戰(zhàn)形勢(shì)的需要,基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測(cè)[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(dāng)激光光束照射到目標(biāo)光電設(shè)備的光學(xué)窗口且進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)時(shí),有一部分激光光束被反射回來,被激光探測(cè)器接收并進(jìn)行濾波處理,對(duì)回波功率進(jìn)行分析,就可以精確確定槍手位置.激光探測(cè)系統(tǒng)采取主動(dòng)探測(cè)的方式且具有方向性好、功率高、亮度大、靈敏度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于反狙擊探測(cè)領(lǐng)域,但該方式必須依托光學(xué)目標(biāo)“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(cè)系統(tǒng)致盲.

狙擊與反狙擊作為矛和盾的存在,愈發(fā)先進(jìn)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(duì)探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)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(duì)在軍事領(lǐng)域廣泛使用的激光主動(dòng)探測(cè)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(qiáng)度,從而縮短探測(cè)距離,增強(qiáng)作戰(zhàn)隱蔽性和生存能力.常見的激光器有波長(zhǎng)為1060 nm的Nd:YAG 激光器[8]、波長(zhǎng)為1550 nm 的摻鉺激光器[9]和波長(zhǎng)為10600 nm 的二氧化碳激光器[10],1550 nm 波長(zhǎng)是探測(cè)系統(tǒng)常用的激光波長(zhǎng)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(cè)距離更遠(yuǎn),隱蔽性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),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(shì).

李攀等[13]利用有限時(shí)域差分方法設(shè)計(jì)并優(yōu)化了由SiO2組成的雙層和三層減反射膜在1550 nm波長(zhǎng)附近實(shí)現(xiàn)了減反射效果.季雪淞等[14]設(shè)計(jì)了微納陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)1550 nm 處的吸收.應(yīng)用于狙擊光學(xué)系統(tǒng)的隱身策略不僅要求實(shí)現(xiàn)激光隱身,同時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了可見光到近紅外以及遠(yuǎn)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(duì)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(xué)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(jì)了由金屬Ag 和介質(zhì)材料Si3N4組成的超表面減反射膜,實(shí)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(zhǎng)1550 nm 高吸收性能的兼容,利用納米級(jí)超薄Ag 膜的異常透射特性,通過選擇能與Ag 膜實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[18]的介質(zhì)材料Si3N4來達(dá)到增強(qiáng)透射減少反射的效果,又得益于納米結(jié)構(gòu)調(diào)控光場(chǎng)的特殊能力,電磁波的光場(chǎng)能量被吸收,減少了激光波長(zhǎng)處的強(qiáng)反射,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)激光波長(zhǎng)上的隱身效果,為反貓眼探測(cè)的作戰(zhàn)策略提供了一種行之有效的設(shè)計(jì)思路.

2 結(jié)構(gòu)模型和方法

本文所設(shè)計(jì)的超表面減反射膜的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示,由頂層長(zhǎng)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(zhǎng)方形微納結(jié)構(gòu)Ag 的長(zhǎng)、寬和厚度.所設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象及其電磁場(chǎng)特性很難完全用解析式表達(dá)出來,得益于計(jì)算機(jī)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(shí)主要采用時(shí)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(shí)域求解方法,其基本思想是在電磁場(chǎng)中對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間上和時(shí)間上間隔交替采樣,并且在任意電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量的周圍都包圍著4 個(gè)電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量,用這種離散的方式把含有時(shí)間分量的旋度方程轉(zhuǎn)化為差分方程,進(jìn)而在時(shí)間軸上推解出空間分布的電磁場(chǎng).當(dāng)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(rèn)為是原方程的解.

遺傳算法是通過模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和優(yōu)勝劣汰的生物進(jìn)化過程的一種隨機(jī)搜索算法,采用概率化尋找參數(shù)能夠自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化方向,本文利用遺傳算法來尋找滿足目標(biāo)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(gè)體的基因,用二進(jìn)制編碼表示,算法將每一個(gè)個(gè)體的基因傳遞到仿真軟件進(jìn)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(gè)體.為了性能優(yōu)越的個(gè)體不被淘汰,將每一代每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)(figure-of-mert,FOM)計(jì)算出來并進(jìn)行排序,將保留下FOM 函數(shù)最大的30 個(gè)個(gè)體,剩余的個(gè)體則由選擇、交叉和變異的個(gè)體組成,由此構(gòu)成新一代種群,繼續(xù)進(jìn)行迭代.經(jīng)過不斷的迭代,得出適應(yīng)度最大的個(gè)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(zhǎng)和截止波長(zhǎng),對(duì)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(zhǎng)下的吸收率.利用公式A(λ)=1-R(λ)-T(λ)計(jì)算出吸收光譜A(λ),可以由(2)式計(jì)算出來:

其中,T(λ) 表示λ波長(zhǎng)下的透射率.設(shè)計(jì)FOM 函數(shù)時(shí),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(shí)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(yùn)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(zhǎng)l=190 nm,寬w=60 nm,厚t4=10 nm,整個(gè)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(duì)整體結(jié)構(gòu)的t1,t2,t3以及l(fā)和w進(jìn)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(gè)超表面減反射膜的總厚度為110 nm.

模擬仿真得到所設(shè)計(jì)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(duì)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(dá)88%,在484 nm處出現(xiàn)峰值為94%的透射峰,在1550 nm 激光波長(zhǎng)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(duì)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(shí)現(xiàn)激光隱身的預(yù)期目標(biāo).

表1 算法優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能對(duì)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(duì)比 (a) 算法優(yōu)化前后380—780 nm 透過率對(duì)比;(b) 算法優(yōu)化前后1550 nm 反射率/吸收率對(duì)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(shí)實(shí)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(gè)超表面減反射膜,又因?yàn)槲⒓{結(jié)構(gòu)能夠操控光場(chǎng),使得光場(chǎng)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(jì)D/M/D減反射膜系的理想選擇.納米量級(jí)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(duì)光能量的強(qiáng)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(jì)膜系的各層厚度使整個(gè)膜系的等效阻抗與自由空間的阻抗相匹配,可達(dá)到減反增透的效果,實(shí)現(xiàn)可見光波段高透過的設(shè)計(jì)目標(biāo).

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(chǎng)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(jī)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(zhǎng)下xz截面的歸一化電場(chǎng)分布,如圖5 所示,大部分的電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布如圖6(a)—(c) 所示.從隨機(jī)選取的3 個(gè)可見光波長(zhǎng)分別為380,470,560 nm 處的電場(chǎng)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(huì)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(zhǎng)下,三層膜系xz截面的歸一化電場(chǎng)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?yàn)殡S著波長(zhǎng)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(huì)被吸收.

圖6 Si3N4/Ag/Si3N4 三層膜系xz 截面的歸一化電場(chǎng)圖 (a) 380 nm 處xz 截面的歸一化電場(chǎng)圖;(b) 470 nm 處xz 截面的歸一化電場(chǎng)圖;(c) 560 nm 處xz 截面的歸一化電場(chǎng)圖;(d) 1550 nm 處xz 截面的歸一化電場(chǎng)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(dāng)1550 nm 電磁波作用于超表面減反射膜時(shí),其在xy截面和xz截面的電磁場(chǎng)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(chǎng)增強(qiáng)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(qiáng)烈的磁諧振,磁場(chǎng)被局限在頂層圖案下方的介質(zhì)區(qū)域內(nèi),觀察電磁場(chǎng)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(chǎng)分布 (a) 1550 nm 處xy 截面電場(chǎng)圖;(b) 1550 nm 處xy 截面磁場(chǎng)圖;(c) 1550 nm 處xz 截面電場(chǎng)圖;(d) 1550 nm處xz 截面磁場(chǎng)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(chǎng)分布來探究其原因.如圖8 所示,當(dāng)入射電磁波穿透上層金屬和介質(zhì)到達(dá)中間層金屬時(shí),會(huì)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(chǎng)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(qiáng),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(chǎng)分布 (a) 700 nm 處xz 截面電場(chǎng)圖;(b) 700 nm 處xz 截面磁場(chǎng)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(duì)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(huì)受到入射角度變化的影響,雖然在入射角度大于35°時(shí),長(zhǎng)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(huì)影響整體性能,表明所設(shè)計(jì)器件具有良好的角度不敏感特性.

圖9 不同入射角度對(duì)性能的影響 (a) 不同入射角度對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(b) 不同入射角度對(duì)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(duì)入射光極化角度具有敏感性,在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性,因此需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).將長(zhǎng)方形金屬陣列替換為中心對(duì)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(jì)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(zhǎng)方形陣列結(jié)構(gòu)有所下降,這是因?yàn)槭纸徊嫘徒饘訇嚵械恼伎毡葹?3%,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(jìn)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(zhǎng)上存在更大的吸收峰,激光的回波強(qiáng)度進(jìn)一步減小.入射光極化角度對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響如圖11 所示,可見光透過率和激光波長(zhǎng)的吸收率幾乎不會(huì)發(fā)生變化,由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,該設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致可見光波段的透射窗口向短波方向移動(dòng)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(huì)導(dǎo)致可見光波段的透射窗口向長(zhǎng)波方向移動(dòng).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(huì)導(dǎo)致近紅外吸收峰藍(lán)移;折射率大于Si3N4的電介質(zhì)材料作為增透層會(huì)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(dá)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(dú)變換底層電介質(zhì)材料對(duì)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(shí),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(cè)效果.選取MgF2和TiO2時(shí),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(dá)不到目標(biāo)隱身要求.

圖13 不同底層電介質(zhì)材料對(duì)性能的影響 (a)不同底層電介質(zhì)材料對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(b)不同底層電介質(zhì)材料對(duì)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(dú)變換某一層或同時(shí)變換上下兩層電介質(zhì)材料會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(duì)該吸收器的影響不大,但同時(shí)變換上層電介質(zhì)材料時(shí),介電常數(shù)的改變會(huì)影響等離激元共振及F-P 腔模式共振所處波長(zhǎng).

研究介質(zhì)層厚度t1和中間金屬層厚度t2對(duì)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(dāng)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(shì).在近紅外波段,t1在20 nm 厚度以下幾乎不會(huì)產(chǎn)生吸收,在20—50 nm 之間吸收峰隨著t1增大而藍(lán)移且強(qiáng)度增大,在50 nm 之后超表面減反射膜在1550 nm 目標(biāo)波長(zhǎng)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(duì)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?yàn)閠2的增大而藍(lán)移.

圖14 介質(zhì)層厚度t1 和金屬層厚度t2 對(duì)性能的影響 (a) t1 對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(b) t1 對(duì)1550 nm 吸收率的影響;(c) t2對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(d) t2 對(duì)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(zhǎng)l和寬w對(duì)超表面減反射膜性能的影響.從圖15(a),(c)可以看出,長(zhǎng)方形Ag 塊的長(zhǎng)度l和寬度w增大會(huì)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(shì).從圖15(b),(d)可以看出,吸收峰隨著l的增大而紅移且強(qiáng)度變化不大,隨著w增至150 nm,吸收峰藍(lán)移且強(qiáng)度增大,w增大超過150 nm 后吸收峰強(qiáng)度降低并有紅移趨勢(shì).由圖14 和圖15 可知,同時(shí)兼顧可見光波段和近紅外目標(biāo)波長(zhǎng)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(jì)超表面減反射膜當(dāng)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(shí)間成本.

圖15 圖案微納結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)l 和寬w 對(duì)性能的影響 (a) l 對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(b) l 對(duì)1550 nm 吸收率的影響;(c) w 對(duì)380—780 nm 透過率的影響;(d) w 對(duì)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(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)抗反射效果的同時(shí),不影響可見光電磁波的透過性能.本文所設(shè)計(jì)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(diǎn),所選取的材料豐富可得,性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jì)上,對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(dá)94%;在1550 nm 處的反射率僅為10%,同時(shí)吸收率可達(dá)80%.為了更切合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了十字交叉型金屬陣列,獲得偏振不敏感特性.改進(jìn)結(jié)構(gòu)組成的超表面減反射膜可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了近紅外激光波長(zhǎng)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(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)低反射高吸收的目標(biāo),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(diǎn),通過調(diào)節(jié)單一結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波長(zhǎng)上的低反射高吸收效果,這為軍事上反貓眼探測(cè)策略提供了一種方案.

感謝國(guó)防科技大學(xué)楊俊波教授與廣西大學(xué)張振榮教授以及其他作者的討論.