CN114002763A - 一种中远红外与激光兼容隐身薄膜及其设计方案 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中远红外与激光兼容隐身薄膜及其设计方案，TFCalc软件输入一个初始的5层带有掺杂层一维光子晶体结构，首先对其连续目标进行设定，在3～5μm和8～14μm设置为高反射，5～8μm和10.6μm设置为高透过；其次，在设置优化参数界面采用锗和硫化锌两种材料添加“Needle”层，并且选择连续添加膜层到最优设计膜系、同时添加许多层、在添加Needle前采用局部优化；最后，在Tunneling参数中选择生长薄膜进行结构优化，所述薄膜为以玻璃为基底，不同厚度的锗和硫化锌交替形成的13层膜结构，靠近空气和玻璃的两层为锗，所述薄膜可实现中远红外波段与10.6μm激光波段的兼容隐身。
Description
技术领域
本发明涉及一种隐身薄膜的设计方案，尤其涉及一种中远红外与激光兼容隐身薄膜的设计方案，属于隐身材料技术领域。
背景技术
在红外探测技术中，3～5μm波段是航空发动机尾焰和发动机排气管的辐射范围，是空中设备的红外制导探测系统主要的工作波段；8～14μm波段是热成像系统的工作波段，任何温度高于热力学零度的物体都会在8～14μm波段发生辐射；工作波长为10.6μm的CO2激光器作为主要激光探测武器可用于测距、制导、目标指示和干扰等。
现有3～5μm和8～14μm红外波段选择性高反射薄膜实际上为两种禁带在不同波长范围的光子晶体的叠加，利用一维光子晶体结构实现中远两个红外窗口波段的高反射区通常存在生产周期较长、生产成本高等问题。
根据基尔霍夫定律：T+R+ε＝1，其中T为材料的透过率，R为材料的反射率，ε为材料的吸收率；对于红外波段基本不透光材料，即T≈0，则ε≈1-R，其中吸收率等于发射率，为实现红外波段低发射率可相应提高材料的反射率。
另根据Stefan-Boltzmann定律：W＝σεT4，式中W是物体的总辐射能，单位是W/m2；σ是玻尔兹曼常数，其值为5.67032×10-8Wm-2k-4；ε是物体红外发射率；T是物体绝对温度。因此目标物体表面的辐射能力取决于表面发射率和温度两个因素。
在满足红外窗口波段3～5μm和8～14μm高反射率的同时，非红外窗口波段5～8μm满足低反射率，可以使温度从该波段向大气中辐射，这样更有效的降低目标物体的辐射能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现中远红外(3～5μm、8～14μm)与10.6μm激光波段兼容隐身的薄膜设计方案，改进现有技术中的多波段兼容性难题，主要涉及中远红外波段选择性高反射率和10.6μm激光工作波段高透过。
本发明的目的是这样实现的：
一种中远红外与激光兼容隐身薄膜的设计方案，TFCalc软件输入一个初始的5层带有掺杂层一维光子晶体结构，首先对其连续目标进行设定，在3～5μm和8～14μm设置为高反射，5～8μm和10.6μm设置为高透过；其次，在设置优化参数界面采用锗和硫化锌两种材料添加“Needle”层，并且选择连续添加膜层到最优设计膜系、同时添加许多层、在添加Needle前采用局部优化；最后，在Tunneling参数中选择生长薄膜进行结构优化设计，进行结构优化设计的薄膜为以玻璃为基底，不同厚度的锗和硫化锌交替形成的13层膜结构，靠近空气和玻璃的两层为锗，所述薄膜可实现中远红外波段与10.6μm激光波段的兼容隐身。
进一步的，所述的13层膜结构，靠近基底为第一层，各层厚度分别为第一层772nm，第二层850nm，第三层108nm，第四层478nm，第五层258nm，第六层344nm，第七层353nm，第八层235nm，第九层124nm，第十层1164nm，第十一层536nm，第十二层241nm，第十三层89nm，总厚度为5.552μm；
进一步的，进行结构优化设计的薄膜各层厚度由TFCalc、Optilayer、EssentialMacleod软件经针孔和隧道算法优化得到。
一种中远红外与激光兼容隐身薄膜，所述薄膜由上述任意一种的方法制备而成；
进一步的，所设计的薄膜在3～5μm和8～14μm红外波段实现高反射，5～8μm波段低反射，10.6μm处高透过特性；
进一步的，所设计的薄膜在5～8μm波段具有低反射特性，温度可从该波段向大气中辐射，有利于红外隐身。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
经优化后的13层膜结构，膜系厚度小，节约生产成本，膜系层数少，可降低生产周期，提高生产效率，并且在5～8μm波段平均反射率较低，有助于在非红外窗口波段的热辐射，从而降低温度；
本发明采用TFCalc软件优化设计出多层膜结构，实现了3～5μm和8～14μm中远红外波段高反射与5～8μm波段低反射，该方案在保证3～5μm和8～14μm波段红外隐身效果的同时，其热量还能从非红外窗口5～8μm波段向大气中辐射，这既能满足薄膜材料的选择性低发射率，又具有一定散热的功能，同时此方案还能达到10.6μm波长处的高透过率，实现与10.6μm激光波段的兼容隐身。
附图说明
图1是本发明提供的薄膜结构示意图；；
图2是本发明优化设计前的反射率图谱；
图3是本发明经优化设计后的反射率图谱。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
TFCalc软件输入一个初始的5层带有掺杂层一维光子晶体结构。首先对其连续目标进行设定，在3～5μm和8～14μm设置为高反射，5～8μm和10.6μm设置为高透过；
其次，在设置优化参数界面采用锗和硫化锌两种材料添加“Needle”层，并且选择连续添加膜层到最优设计膜系、同时添加许多层、在添加Needle前采用局部优化；
最后，在Tunneling参数中选择生长薄膜进行结构优化设计。
优化后结果如图1所示，为本发明设计出一种实现中远红外与激光兼容隐身的13层薄膜结构。该13层薄膜结构是以玻璃为基底，不同厚度的锗和硫化锌交替形成的膜结构。
图2所示，为本发明优化前计算所得反射率曲线图，具体的，为上述5层带有掺杂层一维光子晶体结构。
图3所示，为本发明优化后计算所得反射率曲线图，具体的，为上述13层不同厚度的锗和硫化锌交替形成的膜结构；
表1为优化前后各个波段的平均反射率；
| 波段 | 3～5μm | 5～8μm | 8～14μm | 10.6μm |
| 优化前平均反射率 | 55.5％ | 37.19％ | 81.64％ | 8.17％ |
| 优化后平均反射率 | 86.41％ | 13.54％ | 85.84％ | 6.16％ |
对比优化设计前后的平均反射率，在3～5μm波段反射率的提高明显，8～14μm波段的平均反射率同样升高，5～8μm波段的平均反射率更低，10.6μm处反射率略有下降。因此，该设计方案可全面实现3～5μm和8～14μm红外窗口高反射特性，5～8μm非红外窗口波段低反射特性，同时在CO2激光器工作波段10.6μm处实现高透射(低反射)。
本发明采用TFCalc软件优化设计出的多层膜结构，是对5层高低折射率交替的对称膜结构的优化，其中高折射率材料层为锗(Ge)，低折射率材料为硫化锌(ZnS)，基底材料为玻璃，靠近空气和玻璃的两层为锗。
上述的5层膜结构，是带有缺陷层的一维光子晶体结构，其第三层为掺杂层，掺杂层材料同样为半导体材料锗，其厚度为交替结构中锗层厚度的两倍。
上述带有掺杂层的一维光子晶体结构中的两种材料均存在色散，锗在3～14μm的折射率为nGe＝4.2～4.1，色散变化较小，因此在计算过程中其折射率取平均值为4.15，硫化锌在3～14μm的折射率为nZnS＝2.3～2.1，色散同样变化较小，因此在计算过程中其折射率取其平均值为2.2。
上述带有缺陷层的一维光子晶体结构，具有规律的周期膜层的光学厚度为λ0/4，其中掺杂层的光学厚度为λ0/4。
上述光学厚度为λ0/4＝nd。
上述λ0为中心波长，在计算过程中中心波长取值为10.6μm，n为对应材料平均折射率，d为对应材料的厚度。
上述带有缺陷层的一维光子晶体结构，锗层厚度为646nm，硫化锌层的厚度为1262nm，掺杂层锗的厚度为1293nm。
上述带有缺陷层的一维光子晶体结构经TFCalc软件采用针型算法和隧道算法进一步优化后为13层膜结构，其中靠近基底为第一层。
以上所设计的薄膜，满足入射光角度垂直于薄膜表面的情况。
本发明公开了一种中远红外(3～5μm、8～14μm)波段与10.6μm激光波段兼容隐身薄膜的设计方案，通过TFCalc软件，采用针型和隧道算法结合的方式对含掺杂层的一维光子晶体结构进行优化设计；其中，初始含掺杂层的一维光子晶体由五层高低折射率材料交替叠加而成，高折射率材料选用锗，低折射率材料选用硫化锌，掺杂层材料选用锗；优化后为13层膜结构，总厚度0000为5.552μm，在3～5μm和8～14μm波段的平均反射率分别为86.41％和85.84％，红外窗口波段实现高反射特性，5～8μm波段的平均反射率为13.54％，非红外窗口波段实现低反射特性，10.6μm处反射率为6.16％，实现10.6μm激光波段高透过特性。
Claims (4)
1.一种中远红外与激光兼容隐身薄膜的设计方案，其特征在于，TFCalc软件输入一个初始的5层带有掺杂层一维光子晶体结构，首先对其连续目标进行设定，在3～5μm和8～14μm设置为高反射，5～8μm和10.6μm设置为高透过；其次，在设置优化参数界面采用锗和硫化锌两种材料添加“Needle”层，并且选择连续添加膜层到最优设计膜系、同时添加许多层、在添加Needle前采用局部优化；最后，在Tunneling参数中选择生长薄膜进行结构优化设计，进行结构优化设计的薄膜为以玻璃为基底，不同厚度的锗和硫化锌交替形成的13层膜结构，靠近空气和玻璃的两层为锗，所述薄膜可实现中远红外波段与10.6μm激光波段的兼容隐身。
2.根据权利要求1所述的中远红外与激光兼容隐身薄膜的设计方案，其特征在于，所述的13层膜结构，靠近基底为第一层，各层厚度分别为第一层772nm，第二层850nm，第三层108nm，第四层478nm，第五层258nm，第六层344nm，第七层353nm，第八层235nm，第九层124nm，第十层1164nm，第十一层536nm，第十二层241nm，第十三层89nm，总厚度为5.552μm。
3.根据权利要求1所述的中远红外与激光兼容隐身薄膜的设计方案，其特征在于，进行结构优化设计的薄膜各层厚度由TFCalc、Optilayer、Essential Macleod软件经针孔和隧道算法优化得到。
4.一种中远红外与激光兼容隐身薄膜，其特征在于，所述薄膜由权利要求1-3中任意一种的方法制备而成。
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