一种可见光透明的红外/激光兼容隐身器件

1.本发明属于多光谱隐身领域，具体涉及一种可见光透明的红外/激光兼容隐身器件。


背景技术：

2.隐身技术主要是通过抑制目标的能源排放和可探测特征信号，降低其被敌方发现、识别、跟踪、定位和攻击的概率，达到保护自身免受敌方打击的目的。隐身技术的发展最早始于20世纪初大规模战争的空中战场，随着探测手段的进步，这项技术的主要研究内容从光学视觉隐身过渡到了雷达隐身，使武器装备在实战中的生存和突防能力得到明显提升。如今面对维度更多、角度更广的现代战场，隐身技术面临的挑战也更加复杂多样，根据探测手段不同，现代的隐身技术分化成为包括雷达隐身、红外隐身、电磁隐身、可见光隐身在内的多个研究方向。尤其在多种探测器联合使用场景，单一的隐身手段已无法满足需求现状，多波段兼容的隐身技术成为新的研究重点。
3.传统隐身材料受限于天然材料的固有属性，无法满足现阶段对多波段光谱调控的设计需求。超材料/超表面作为一种由人工合成微纳结构单元组成的新型材料，具有优异的多波段隐身兼容特性，因而逐渐成为新型红外隐身材料研究领域的热点之一。超材料是一种人工电磁材料，其图案尺寸远小于电磁波波长，其电磁传输特性由周期单元的形状、尺寸、阵列方式等决定，可通过改变电磁参数实现对电磁传输功能的调节。因此，超表面技术是实现多波段兼容隐身的最佳方案。考虑到复杂作战场景对超表面器件实际应用的需求，开展多频段吸收多功能器件的研究具有重大战略意义：
4.1、专利cn114603937a“一种耐高温雷达红外兼容隐身材料及其制备方法”描述了一种由基底层、中间介质层和频率选择表面层组成的层状结构，可同时实现红外与雷达兼容隐身，耐受高温至1000℃。
5.2、专利cn114262894a“一种宽频吸波高温雷达与红外兼容隐身涂层及其制备方法”通过引入两层高温雷达吸收型电磁周期结构层和高温红外隐身层，实现较好的宽频吸波性能和低红外发射率，同时还具有耐高温性。
6.3、专利cn112622391a“一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构”描述了一种采用超材料技术较好的解决光学透明、雷达隐身、红外隐身的矛盾性问题的结构设计方法，具备较好的超宽频雷达吸波性能、低红外发射率与光学透明特性。
7.4、专利cn111585041a“一种雷达/红外兼容隐身超表面”描述了一种由导电反射层-介质层-导体薄膜功能层的三明治结构，结构简单，只需一层人工结构单元阵列即可同时实现雷达与红外隐身的兼容。
8.5、专利cn103293582a“双激光波段及中远红外兼容隐身膜系结构”描述的六层膜系结构可实现激光1.06μm、10.6μm及中远红外波段(3～5μm和8～14μm)的兼容隐身。
9.6、专利cn112759946a“一种1064nm激光吸收染料及制备方法、光学-红外-激光兼容隐身涂层”描述了一种激光吸收染料的制备方法，提供了一种光学-红外-激光兼容隐身
涂层，该制备方法工艺简单，适用于大规模生产。
10.专利cn114603937a、专利cn114262894a、专利cn112622391a和专利cn111585041a都是利用多层结构在微波段实现较好的吸波性能，并且利用红外低发射材料实现整个红外波段的低发射特性，从而实现红外与雷达的兼容隐身。而常见的激光探测信号10.6μm位于中远红外波段内，以上几种结构并未考虑减少目标对于10.6μm处入射激光信号的反射。激光隐身是通过减少目标对激光的反射信号，使目标具有低可探测性，即要求材料具有低反射、高发射特性；而红外隐身则要求材料在红外波段(3-5μm和8-14μm)具有高反射、低发射特性。由于红外与激光隐身机理的矛盾，如何协调好这两种不同的隐身要求是多光谱隐身面临的关键技术问题之一。
11.同时现有结构由于红外发射率较低，热辐射效率较差，导致实际温度急剧上升，从而增强了辐射能量，削弱了隐身性能，导致器件热稳定性差。为了克服这一问题，多光谱兼容隐身器件需要在特定的大气窗口(3-5μm和8-14μm)内具有较低的发射率以使其不可见，而在大气窗口外(5-8μm)应具有较高的宽带发射率以进行辐射冷却，在透明窗口外发射的红外辐射由于在大气中的衰减和吸收现象而无法被探测到。
12.专利cn103293582a、专利cn112759946a虽然利用多层膜系结构有效实现了红外与激光的兼容隐身，但未考虑光学透明特性。在一些实际应用中，隐身材料除了满足红外-激光兼容隐身，还应具备光学信息传输功能，为传感器探测侦查提供必要信息通道，例如飞行器或武器装备的光学窗口。
13.综上，现有的多光谱隐身器件存在以下问题：
14.1、长波红外与激光隐身难以同时兼顾：激光隐身要求器件具有低反射、高发射特性，而红外隐身却是要求器件表面具有低的红外发射率，在10.6μm波长上两者的要求是相互矛盾的。
15.2、热稳定性差：红外低发射特性导致器件的热辐射效率差，红外隐身性能被削弱，器件的热稳定性低，因此需要在非大气窗口波段(5-8μm)设计宽带吸收峰以达到器件的热平衡，实现器件在非大气窗口波段有效散热。
16.3、可见光通透性差：目前，绝大多数红外隐身器件不具备可见光通透性，然而在实际应用中，作为各类装备光学窗口，多光谱隐身器件需作为传感器光学成像与侦测的必要信息通道，需要在可见光波段具有较好的透明性能。


技术实现要素：

17.本发明的目的在于克服背景技术中所述的多光谱隐身技术的不足，特别是红外/激光隐身难以结合以及同时实现可见光透明的问题，提出了一种由图案贴片层(1)、介质层(2)和导电薄膜层(3)组成的红外/激光兼容隐身器件：在10.6μm处实现高吸收，减少目标对入射激光信号的反射，实现激光隐身功能；在8～14μm长波红外探测波段控制杂散吸收峰的影响，降低热辐射信号，实现长波红外隐身功能；在5～8μm红外非探测波段设计宽频多峰吸收，实现红外辐射散热功能；通过器件各层材料的选择，在实现多频段隐身功能的同时保证器件的表面高透光特性。
18.本发明的目的是这样实现的：一种可见光透明的红外/激光兼容隐身器件包括若干个周期性排列的吸波单元，每个吸波单元由上层图案贴片层(1)、中间介质层(2)和下层
导电薄膜层(3)组成。所述吸波单元按照周期排布成阵列结构，所述周期为4-14μm；
19.进一步，所述的上层图案贴片层(1)由四个全等的等腰三角形绕贴片层的中心点经90
°
的四重旋转后形成，等腰三角形顶点到吸波单元层中心距离s1为0.2-3.5μm，等腰三角形底边到吸波单元层中心距离s2为1-6.5μm，等腰三角形底边边长s3为0.8-12μm。
20.进一步，所述上层图案贴片层(1)材料选自金属、掺杂金属或金属氧化物中的任意一种；所述下层导电薄膜层(3)为光学透明的金属薄膜、金属网栅或金属氧化物薄膜中的任意一种。
21.进一步，所述上层图案贴片层(1)厚度d1和下层导电薄膜层(3)厚度d3均为5-500nm。
22.进一步，所述中间介质层(2)为高透光率的介质材料zns、al2o3、si3n4、sio2、znse、pmma、pdms中的任意一种。
23.进一步，所述中间介质层(2)厚度d2为100-3000nm。
24.本发明的创新性和良好效果是：
25.本发明针对多光谱兼容隐身需求提供了一种可见光透明、对外来激光能量产生强吸收和降低红外探测量的器件。
26.1、由上层图案贴片层(1)、中间介质层(2)和下层导电薄膜层(3)组成的可见光透明的红外/激光兼容隐身器件可在10.6μm处产生强吸收，降低激光对目标的探测可能性；
27.2、在长波红外8～14μm波段维持低发射率，降低目标的红外探测可能性；
28.3、在5～8μm的多吸收峰实现红外辐射散热功能，解决长波红外和激光的隐身兼容问题；
29.4、在400～700nm可见光波段的平均相对透光率较高，具有良好的透光性能。
30.鉴于本发明的上述创新性和取得的良好效果，很好地实现了多光谱结合的调控功能，在光学透明体的多光谱兼容隐身领域中具有很大的应用价值。
附图说明
31.图1是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身器件的结构示意图，(a)图案贴片的正视图，(b)器件侧视图。
32.图2是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器在5-14μm波段的吸收特性仿真曲线图。
33.图3是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器te/tm入射波激励下的吸收率仿真曲线。
34.图4是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器在不同入射角度下的吸收率仿真曲线。
35.图5是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器的样件a和样件b的实物图。
36.图6是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器实物样件的透光率实测曲线图。
37.图7是实施例中具有可见光透明的红外/激光兼容隐身吸收器实物样件的热成像图，(a)样件a热成像图，(b)样件b热成像图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明实施方案做详细描述：
39.实施例：
40.如图1为一种可见光透明的红外/激光兼容隐身器件，夹层结构的吸波单元包括上层图案贴片层(1)、中间介质层(2)和下层导电薄膜层(3)。本实施例中，所述的单元周期为6μm。
41.本实施例中，所述的上层图案贴片层(1)由四个全等的等腰三角形构成，等腰三角形顶点到吸波单元层中心距离s1为0.7μm，等腰三角形底边到吸波单元层中心距离s2为2μm，等腰三角形底边边长s3为2.8μm。
42.本实施例中，所述的上层图案贴片层(1)由100nm的纯金属铝镀膜构成。
43.本实施例中，所述中间介质层(2)为介电常数3.9、损耗角正切0.025的sio2薄膜，厚度d2为500nm。下层导电薄膜层(3)由方阻5ω/sq的ito薄膜构成。
44.采用cst微波工作室对实施例的可见光透明的红外/激光兼容隐身器件进行仿真测试，图2是实施例中的可见光透明的红外/激光兼容隐身器件在5-14μm波段的吸收特性曲线图，由图2可以看出，本实施例在10.6μm波长处对应吸收率为98.00％，同时观察到5～8μm出现多个强吸收峰，结合红外大气窗口特性和基尔霍夫热辐射定律，波长在5～8μm的红外热辐射可探测性极低，此波段高吸收/反射峰作为红外辐射散热窗口，从而辅助实现红外隐身。
45.本实施例由于上层图案贴片层(1)结构的中心对称，因此具有不受极化特性影响的特点。如图3所示，在tm/te入射波的激励下，本实施例的吸收性能不受入射波极化方式的影响。图4为本实施例在0-40
°
入射角度下的吸收率曲线，在tm波的激励下吸收峰波长保持稳定，吸收峰值始终在0.9以上，表明入射光的电磁场分量仍能产生有效激励。
46.本实施例所述的可见光透明的红外/激光兼容隐身器件的制备方法：分别在方阻值3～4ω/sq和7～8ω/sq的ito背光薄膜上依次沉积sio2介质层、纯金属铝薄膜，通过离子束蚀刻技术将纯金属铝薄膜蚀刻成设计的上层图案贴片，得到样件a和样件b如图5所示。制备样片大小为3cm
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3cm，可直接观察到样件具有可见光透明、质量轻薄等优点。
47.利用紫外/可见/近红外光谱仪为本实施例中的可见光透明的红外/激光兼容隐身器件的可见光透过率进行测试，测试结果如图6所示。基于金属铝膜制备的样件a和样件b在400～700nm可见光波段的绝对平均透光率分别为46.7％、53.1％，表面本实施例实现了光学透明特性。
48.将ito薄膜(右上)、石英基底(左下)以及本实施例所制备的样件(右下)置于烘板加热，使用红外热成像仪(响应波段为8～14μm)在81-86℃条件下测量各表面的辐射温度如图7所示。利用辐射温度计算得到本实施例中的样件a和样件b发射率分别为0.353、0.446，说明本实施例具有较好的红外隐身能力。