太赫兹波探测光子晶体涂层覆盖目标的可行性

王启超，汪家春，王 枭，赵大鹏，张继魁，李志刚，曾 杰

(1.脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037； 2.电子工程学院，安徽合肥 230037)

太赫兹波探测光子晶体涂层覆盖目标的可行性

王启超1∗，汪家春1，王 枭2，赵大鹏2，张继魁1，李志刚1，曾 杰1

(1.脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037； 2.电子工程学院，安徽合肥 230037)

覆盖于高温目标表面的光子晶体红外涂层可实现对目标红外辐射的抑制，而太赫兹波所具有的强穿透特性使其对该类目标的探测成为可能。以相关文献中设计的光子晶体涂层为例，采用特征矩阵理论对0.3～3 THz频率范围内的太赫兹波在该类涂层中的传输特性进行理论计算和分析，重点研究了不同入射角度的太赫兹波在该类涂层中的传输特性。研究发现，上述太赫兹波段处于光子晶体的带隙之外，0.3～0.5 THz频率范围内的太赫兹波对该类红外涂层具有较强的穿透特性，其光谱透过率大于90%；而在2.4～3 THz范围内，其在涂层上具有较强的反射，且整个波段内的吸收率小于0.2%。当入射角小于60°时，其对太赫兹波的传输特性影响较小；进一步增大入射角，其透过率逐渐降低，而反射率逐渐增大。研究结果证明了利用太赫兹波进行涂层覆盖目标探测的可行性，有望利用太赫兹雷达探测弥补红外探测系统的不足。

太赫兹；光子晶体；红外涂层；传输特性

Key words:terahertz；photonic crystal；infrared coating；propagation characteristic

1 引 言

光子晶体作为一种新型周期性介电结构，其概念是由Yabnolovitch和John于1987年分别独立提出的[1-2]，利用其可以进行目标或物体自发辐射的抑制。近年来，国内外诸多研究学者和机构将目光投向该人工周期材料，并取得了一定进展[3-6]。2005年，法国Enoch和Simon等[7]研究出一种易于加工的逐层叠加光子晶体，利用这种光子晶体可以方便有效地实现红外波段的热辐射控制。2016年，Jena等[8]利用TiO2和SiO2材料制备出一维光子晶体薄膜，其在592～837 nm范围内对0°～70°入射的电磁波具备99%的反射率。

国内方面，刘广平[9]采用Si和SiO2等材料设计的一维光子晶体滤波器具有很好的光谱选择特性。Zhao等[10]以PbTe和Na3AlF6为介质材料，设计的一维掺杂结构的光子晶体在1～5 μm和8～14 μm波段的反射率大于99%，在1.06 μm和10.6 μm波长处的透过率超过95%，具有卓越的兼容激光与红外的隐身性能。2012年，李文胜等选用SiO2和Si，设计了一种基于光子晶体结构的坦克涂层，该涂层可以很好地屏蔽坦克在实战中辐射的电磁波，使红外探测手段难以奏效[11]。2015年，该团队以Si和LiF为介质材料，同样设计出可用于军用车辆红外隐身的光子晶体涂层，理论上可在8～14 μm波段范围内实现透过率为0，即具有很好的红外辐射抑制效果[12]。

可以看出，一维光子晶体涂层所具有的质地轻、发射率低、可实现多波段兼容等性质使其有望作为新型多波段隐身材料替代传统红外涂料，尤其是在高价值目标的红外隐身方面具有广阔的应用前景。

然而，至今有关兼容太赫兹波探测的光子晶体涂层尚鲜有报道。而太赫兹波所特有的强穿透特性使其对该类光子晶体红外涂层覆盖下目标的探测成为可能。此外，随着太赫兹器件的不断发展，太赫兹探测系统也逐渐成熟起来，并在军事安全方面取得了一定的研究成果[13-15]。鉴于此，本文尝试对光子晶体红外涂层的太赫兹波传输特性进行研究，以文献[11]和[12]中设计的涂层结构为例，基于特征矩阵理论对该类涂层在0.3～3 THz波段范围内的透射和反射特性进行理论分析，重点考察入射角度变化对透射和反射特性的影响，探究利用太赫兹波实现对该类涂层覆盖目标探测的可行性。相关研究结论对于太赫兹目标探测技术的发展和多波段兼容光子晶体涂层的研究具有一定的借鉴意义。

2 光子晶体红外涂层结构及特性

文献[11]和[12]设计的光子晶体涂层具有类似的结构，均属一维光子晶体，是由两种介质薄膜沿厚度方向交替排列而成的。通过带隙设计使特定波长或波段内的电磁波无法透过，可实现相应电磁波的屏蔽。上述文献分别选用SiO2和Si、Si和LiF为介质材料，其设计的光子晶体结构分别如图1和图2所示，并分别记为涂层C1和C2。

在图1中，SiO2和Si介质各取4层，其几何厚度分别为d1＝1 330 nm和d2＝825 nm。该光子晶体在8～12 μm波段范围内存在一个严格的带隙(即透射率为0)，且当两介质的几何厚度变化不同时超过10%时，该光子晶体结构在8～12 μm波段范围内的带隙总是存在的。

图1 文献[11]中一维光子晶体涂层结构示意图。(a)立体图；(b)侧视图。Fig.1 Schematic of the one-dimensional photonic crystal in Ref.[11].(a)Perspective view.(b)Lateral view.

图2 文献[12]中一维光子晶体涂层结构示意图。(a)立体图；(b)侧视图。Fig.2 Schematic of the one-dimensional photonic crystal in Ref.[12].(a)Perspective view.(b)Lateral view.

在图2中，Si和LiF介质同样各取4层，其几何厚度分别为d′1＝800 nm和d′2＝1 300 nm。该结构同样在8～12 μm波段范围内存在一个带隙，可实现车辆的红外隐身。

3 太赫兹波传输特性理论计算

由图1和图2的结构可知，该类光子晶体涂层是由多层薄膜构成的，研究电磁波在多层薄膜中的传输特性可采用特征矩阵理论。当波长为λ的光以入射角θ0入射到多层薄膜上(在薄膜上方是折射率为n0的空气层)，设第l层的电场和磁场切向分量分别为El和Hl，第l＋1层的电场和磁场切向分量分别为El＋1和Hl＋1，则它们之间满足如下关系[16]

式中，Ml为第l层媒质的特征矩阵，可表示为:

式(3)和(4)中的nl，dl分别为第l层媒质的折射率和厚度。θl为第l层媒质中的折射角，其满足Snell折射定律:

当薄膜由k层组成时，其总的特征矩阵为:

由此可得入射光束总的反射率和透过率为:

其吸收率为:

利用式(7)～(9)，即可获得电磁波在光子晶体中的传输特性。图3给出了涂层C1和C2在0.3～3 THz波段范围内，入射角度为0°时的透射光谱和反射光谱。可以看出:(1)两种涂层在上述太赫兹波段均具有较高的透过率。对于涂层C1，其透过率随频率的增大而减小，其变化范围为97.6%～44.9%，涂层C2的变化趋势与之类似；(2)两种涂层在太赫兹波段的反射率均随频率的增大而增大，对于涂层C1，反射率的变化范围为2.4%～54.9%，涂层C2的反射率略大于C1。

图3 两种光子晶体涂层在0.3～3 THz波段范围内的透射光谱(a)和反射光谱(b)Fig.3 Transmission(a)and reflectance(b)spectra of two kinds of photonic crystals in 0.3－3 THz

可以看出，0.3～3 THz波段范围内的太赫兹波对上述两种涂层具有较强的穿透性。对于涂覆该类涂层的目标的探测而言，当太赫兹波的频率处于0.3～0.5 THz范围时，较高的透过性使太赫兹波能够透过涂层直接到达目标表面。而军事目标表面通常由金属或合金构成，金属在太赫兹波段的反射率接近于1[17]，即太赫兹波到达目标表面后几乎全部被反射。由此可以获得较大的回波信号，即涂层的存在与否对于探测信号回波的强弱影响较小。因此，该类涂层的隐身效果几乎丧失。而在2.4～3 THz范围内，虽然其透过率降低至50%以下，但由于其在涂层表面的反射率达到50%以上，同样可以利用涂层表面的反射信号实现有效的目标探测。

随后，通过改变太赫兹波的入射角度，获得入射角的变化对两种涂层在0.3～3 THz范围内透射光谱和反射光谱的影响。图4和图5分别给出了不同入射角度下涂层C1的透射光谱和反射光谱。

图4 涂层C1在0.3～3 THz波段范围内，0°～80°入射角的透射光谱。(a)3D；(b)2D。Fig.4 Transmission spectra of C1 in 0.3－3 THz with the incident angle ranging from 0°to 80°.(a)3D.(b)2D.

从图4可以看出，当入射角在0°～60°范围内变化时，涂层C1的透过率受入射角的影响较小，而当入射角大于60°时，涂层C1的透过率随着入射角的增大而减小，当入射角进一步增大至80°时，其透过率仍在34%(＠3 THz)以上。对于反射光谱，当入射角在0°～60°范围内变化时，其反射率的变化较小，而当入射角大于70°时，其反射率随着入射角的增大而增大。结合图4和图5，并通过式(9)可获得该涂层在0.3～3 THz范围内的吸收率，其值均处于0.2%以下，说明该涂层对于上述波段内的太赫兹波的吸收极小，即在同一波长处，低透过率对应高反射率。

由此可见，入射角度的变化对太赫兹波在该涂层内的传输特性影响较小。对于较大入射角度的太赫兹波，虽然其对涂层的透过率较低，但利用其在涂层表面的高反射特性仍可进行目标的有效探测。

图5 涂层C1在0.3～3 THz波段范围内，0°～80°入射角的反射光谱。(a)3D；(b)2D。Fig.5 Reflectance spectra of C1 in 0.3－3 THz with the incident angle ranging from 0°to 80°.(a)3D.(b)2D.

图6 涂层C2在0.3～3 THz波段范围内，0°～80°入射角的透射光谱。(a)3D；(b)2D。Fig.6 Transmission spectra of C2 in 0.3－3 THz with the incident angle ranging from 0°to 80°.(a)3D.(b)2D.

对于涂层C2，其在不同入射角度时的透射光谱和反射光谱分别如图6和图7所示。通过对比可以看出，其透过率与反射率随入射角度的变化情况与涂层C1类似，其吸收率仍处于极低水平。通过研究这两种光子晶体涂层对太赫兹波传输的影响可以看出，太赫兹波在该类涂层中的传输损耗可忽略不计，其在低频段的高透过性和高频段的高反射性均使利用太赫兹波进行目标的有效探测成为可能。

图7 涂层C2在0.3～3 THz波段范围内，0°～80°入射角的反射光谱。(a)3D；(b)2D。Fig.7 Reflectance spectra of C2 in 0.3－3 THz with the incident angle ranging from 0°to 80°.(a)3D. (b)2D.

4 结果分析

文中研究的光子晶体涂层属于一维光子晶体，可以看作是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率材料，这种高低折射率材料的交替排列形成的周期结构即可产生光子晶体带隙。而周期排列的高低折射率材料的厚度不同会导致一定结构的光子晶体只能对某些特定频率范围的光产生能带效应，即只有某些特定频率的光会在带隙中被禁止传播[18]。

光子晶体的全向带隙由其组成材料的折射率和厚度共同决定，文中提及的光子晶体涂层C1和 C2均是采用两种高低折射率材料，并按照一定的周期结构排列，这种具有某特定光学厚度的两种介质材料组成的光子晶体可在8～12 μm波段范围内实现透过率为0，即8～12 μm波段范围内的电磁波在光子带隙中被完全抑制，无法传播，从而使该涂层具有很好的红外辐射抑制效果。然而，对于0.3～3 THz范围内的太赫兹波而言，其频率恰好不处于该光子晶体的带隙内，即该光子晶体不会对其产生能带效应，因此存在一定程度的透过。此外，由于涂层C1和C2选取的两种介质材料的光学厚度远小于太赫兹波长，整个涂层可等效为一层具有一定厚度和折射率的介质材料，其在太赫兹波段的吸收系数较小，从而对于入射太赫兹波的吸收很弱，这与理论计算结果相吻合。可以预见，对于已有报道的3～5 μm和8～12 μm以及10.6 μm激光兼容的光子晶体涂层，太赫兹波仍有可能处于光子带隙之外，对该类涂层将具有一定的穿透性。通过合理选择太赫兹波的波长及入射角度，利用太赫兹雷达实现兼容隐身涂层覆盖目标的探测将成为可能。

5 结 论

本文以文献中报道的两种光子晶体红外涂层为例，采用特征矩阵理论对该类涂层在0.3～3 THz频率范围内的传输特性进行理论计算和分析，并研究了入射角度变化对太赫兹波在该类涂层中的传输特性的影响。结果表明，上述频率范围内的太赫兹波位于光子晶体的带隙之外，0.3～0.5 THz频率范围内的太赫兹波对该类涂层具有较强的穿透特性，其光谱透过率大于90%，而在大于2.4 THz范围内，其在涂层上具有较强的反射，且在整个波段内的吸收率小于0.2%。此外，当入射角小于60°时，入射角度的变化对太赫兹波在涂层中的传输特性影响较小。研究结果表明，利用太赫兹波低频段对该类涂层的高穿透特性可进行涂覆目标的探测，同时，利用高频段在涂层上的高反射特性同样可实现目标的有效探测。因此，利用大气窗口内的太赫兹雷达实现光子晶体涂层覆盖目标的有效探测具有一定的可行性，可在一定程度上弥补红外探测系统的不足。

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王启超(1989－)，男，陕西咸阳人，博士研究生，2014年于电子工程学院获得硕士学位，主要从事太赫兹辐射传输方面的研究。

E-mail:wqc＿wqc＠126.com

Feasibility of Applying Terahertz Wave to Detect Target Covered with Photonic Crystal Coating

WANG Qi-chao1∗，WANG Jia-chun1，WANG Xiao2，ZHAO Da-peng2，ZHANG Ji-kui1，LI Zhi-gang1，ZENG Jie1
(1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei 230037，China； 2.Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China)∗Corresponding Author，E-mail:wqc＿wqc＠126.com

The photonic crystal(PC)coating with low transmittance can effectively suppress the thermal radiation of high temperature target.It becomes possible to detect such camouflaged targets applying terahertz(THz)wave due to the strong penetration capability of THz radiation.The propagation characteristics of THz wave in the PC coatings proposed in the references were investigated and analyzed theoretically based on characteristic matrix method of thin-film.The propagation characteristics of THz wave with different incident angles were studied later.The results exhibit that the THz wave ranging from 0.3 to 3 THz does not locate in the band gaps of the PCs.The wave in 0.3～0.5 THz has strong penetrability to the coating，the spectral transmittance is up to 90%，and the absorptivity over the whole band keeps as low as 0.2%.In addition，the incident angle has relatively little influence on the propagation characteristic when it is less than 60°.With the angle further increasing，the transmittance decreases and the reflectivity is diametrical.The final results demonstrate the feasibility to detect and recognize the targets covered with PC infrared stealth coatings by applying THz wave，and THz radar is promising for use to make up for the deficiency of the infrared detection system.

O436.2；TN29

A

10.3788/fgxb20173802.0248

1000-7032(2017)02-0248-06

2016-09-04；

2016-10-15

脉冲功率激光技术国家重点实验室主任基金(SKL2016ZR05)；国家高技术研究发展计划(863)(2015AA0392)资助项目Supported by Director Fund of State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology(SKL2016ZR05)；National High Technology Research and Development Program(863)(2015AA0392)