基于光子晶体的红外光与激光兼容伪装材料结构设计

易怡，邓联文，罗衡，刘胜，贺君，张学军，贺龙辉，黄生祥

(中南大学 物理与电子学院，超微结构与超快过程湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083)

基于光子晶体的红外光与激光兼容伪装材料结构设计

易怡，邓联文，罗衡，刘胜，贺君，张学军，贺龙辉，黄生祥

(中南大学 物理与电子学院，超微结构与超快过程湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083)

基于光子晶体结构，利用薄膜光学特征矩阵法，通过计算由碲化铅和氟化钡构建的一维光子晶体复合结构的反射谱和透射谱，研究实现近、中、远红外光与波长为1.060 μm和10.600 μm的激光兼容伪装的可行性，并通过计算该光子晶体横电波(TE波)和横磁波(TM 波)的全向带隙图，探讨入射光入射角变化对光子晶体结构带隙的影响。研究结果表明：经优化设计的一维光子晶体复合结构在入射光正入射时，可以实现近、中、远红外光与波长为1.060 μm和10.600 μm波长激光的良好兼容伪装；无论是TM波还是TE波，当入射角增大时，在1～5 μm和8～14 μm的红外波段仍能保持良好伪装效果，但缺陷位置会向短波方向移动，激光伪装效果降低。

光子晶体；红外光；激光；兼容伪装

现代光电探测技术已从单一模式向复合模式的多频谱探测发展，使军事目标不仅面对红外探测手段的威胁，而且同时面对激光探测武器的威胁，因此，迫切需要能实现红外光与激光兼容伪装功能的新材料和新结构[1]。但是，由于红外伪装要求所使用的材料具有红外光高反射和低吸收特性，而激光伪装则要求所使用的材料对激光具有低反射和高吸收特性，并且目前使用的激光探测器主要是波长为 1.060 μm 的钇铝石榴石激光器和10.600 μm的二氧化碳激光器[2]，这2种激光器都在红外光谱的波段内，因此，依靠单一材料结构实现红外光和激光的兼容伪装功能非常困难。若能设计一种新型材料，使其在激光探测器的工作波长1.060 μm 或10.600 μm附近出现较窄的低反射率带，而在其他红外光波段均呈现高反射特性，则可以实现激光与红外光的兼容伪装效果。掺杂光子晶体的缺陷能级所形成的“光谱挖孔”效应为解决这一难题提供了可能性。光子晶体是一种折射率周期变化的新型人工结构功能材料[3−4]，基于光子禁带的高反射特性，可以实现红外光伪装功能；基于光子局域特性，通过“光谱挖孔”效应，可以实现激光伪装效果，即达到红外光与激光的兼容伪装[5−6]。高永芳等[7−9]在光子晶体的多波段兼容伪装方面进行了相关研究，主要针对远红外光与激光的兼容伪装以及光正入射时光子晶体的带隙结构特性。本文作者选取碲化铅(PbTe)作为高折射率材料[9]，同时考虑到利用 2种折射率相差较大的材料构成的光子晶体有利于获得较宽的光子带隙，选取氟化钡(BaF2)作为低折射率材料[10]，设计一种一维光子晶体复合结构，探讨其在近、中、远红外光波段及波长为1.060 μm 和10.600 μm的激光反射和透射特性，并研究该光子晶体复合结构对横电波(TE波)和横磁波(TM波)的禁带随入射角和波长的变化。

1 理论模型

图1 一维光子晶体结构Fig. 1 Structure of 1-D photonic crystal

一维光子晶体由介电常数不同的2种材料交替排列构成，结构与光学多层介质膜的类似，其示意图如图1所示，可以借助薄膜光学理论中的特征矩阵法进行计算分析。波长为λ的电磁波以角度0θ从左向右入射到薄膜上，在薄膜材料的左边是折射率为n0的空气层。将在介质层中行进的光波视为正向行进电磁波(下行波)和反向行进电磁波(上行波)的叠加，介质交界面处的电磁场满足边界条件[11]。

假设第l层薄膜的电场和磁场的切向分量分别为El和Hl，则第l+1层薄膜的电场和磁场的切向分量可表示为

式中：Ml为第l层媒质的特征矩阵，即

将特征矩阵记为

式中：m11，m12，m21和m22表示特征矩阵的矩阵元。则入射光的总反射率R、透射率T和吸收率X分别为：

其中：0η为空气介质的环境系数。

2 结果与讨论

碲化铅(PbTe)的折射率为5.600，对光的透明波长范围为 3.400～30.000 μm；氟化钡(BaF2)的折射率为1.470，对光的透明波长范围为 0.150～12.000 μm[12]。为简化计算模型，首先讨论光的垂直入射，即θ0=0°，且假定这2种介质材料的折射率与频率无关，即忽略介质材料的色散和吸收效应，入射光波为TM波。假设由掺杂光子晶体结构组成微腔 A，即空气/[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。其中，H1代表碲化铅(PbTe)，其单层厚度约为0.473 μm；L1代表氟化钡(BaF2)，其单层厚度约为1.803 μm；微腔A的中心波长λ0为10.600 μm，光学厚度为 λ0/4。通过计算所得的光反射谱如图2所示(其中，λ为波长，R为反射率)，可见，在7.354～16.000 μm波长范围的光反射率R高于99%，且在10.600 μm光波位置出现缺陷能级，对该波长光的反射率R接近于0。

图2 微腔A的反射谱Fig. 2 Reflection spectrum of micro-cavity A

假设由掺杂光子晶体结构组成微腔 B即空气/[H2L2]2L2[H2L2]2/玻璃。其中，H2代表碲化铅(PbTe)，其单层厚度约为0.047 μm；L2代表氟化钡(BaF2)，其单层厚度约为0.180 μm；微腔B的中心波长λ0为1.060 μm，光学厚度为 λ0/4。通过计算所得的光反射谱如图3所示。从图3可见：在0.735～1.899 μm波长范围的光反射率R高于99%，且在1.060 μm光波位置出现缺陷能级，对该波长光的反射率R接近于0。

为使1.060 μm和10.600 μm波长处同时实现“光谱挖孔”效应，进一步将微腔A和B的结构复合叠加，即空气/[H2L2]2L2[H2L2]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。但由于两缺陷间可能会相互影响，导致缺陷模分裂及带隙结构改变和缺陷模反射率变化等，该现象可用缺陷模的波函数迭加理论解释[13−14]。经计算所得组合复合结构的反射光谱见图4。从图4可见：在0.709～2.104 μm和 7.221～16.000 μm 波长范围的光反射率 R均高于98%，且分别在1.060 μm和10.600 μm波长位置出现缺陷能级，反射率R分别为3.03%和26.85%，均高于单个微腔对应波长处的反射率。

图3 微腔B的反射谱Fig. 3 Reflection spectrum of micro-cavity B

图4 微腔A和B复合叠加结构的反射谱Fig. 4 Reflection spectrum of two-stacked micro-cavities A and B

为展宽3～5 μm中红外波段的带隙，将中心波长0λ为3.850 μm的光子晶体PC1插入上述两微腔A和B的组合复合结构中[15−16]，PC1的结构为[H3L3]2。其中，H3代表碲化铅(PbTe)，其单层厚度约为0.172 μm；L3代表氟化钡(BaF2)，其单层厚度约为0.655 μm。该光子晶体复合结构为空气/[H2L2]2L2[H2L2]2[H3L3]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。计算所得的反射光谱如图5所示。从图 5可见：在 0.690～2.111，3.030～4.230和7.070～16.000 μm光波段的反射率R高于98%，且在1.060 μm和10.600 μm波长处出现缺陷能级，在这2种波长处的反射率R分别为1.52%和33.26%。

为进一步展宽近红外波段带隙，将中心波长0λ为2.500 μm的光子晶体PC2插入微腔B和PC1之间，PC2 的结构为[H4L4]2。其中，H4代表碲化铅(PbTe)，其单层厚度约为0.112 μm；L4代表氟化钡(BaF2)，其单层厚度约为0.425 μm。则该光子晶体复合结构为空气/[H2L2]2L2[H2L2]2[H4L4]2[H3L3]2[H1L1]2L1[H1L1]2/玻璃。计算所得的反射谱和透射谱如图6所示。从图6可见：该光子晶体复合结构在近、中、远红外光波段均具有较高反射率和低透射率，即在 1～5 μm 和 8～14 μm波段呈高反射率和低透射率特性；且在1.060 μm和10.600 μm波长处，光反射率R接近于0，透射率T高于99%。上述计算结果表明：经优化设计的光子晶体复合结构对正入射的近、中、远红外光与1.060 μm和10.600 μm的激光具有良好兼容伪装效果。上述计算分析是针对入射光垂直入射到光子晶体的情形，即=θ0°。实际上，入射光入射角度对带隙有一定的影响。虽然垂直入射时对 TM 波入射和 TE波入射的计算光谱一致，但倾斜入射时以TM波入射和TE波入射的计算光谱有明显差异[17]。为了更全面分析不同波长的光在入射角不同时光子晶体结构的反射率和透射率特性，分别计算图6所示光子晶体复合结构对TM波和TE波的全向带隙图，结果如图7所示(其中，横轴为波长λ，纵轴为入射角θ；用灰度表示透射率和反射率；透射谱中白色(100%)代表透射率为 1，黑色(0)代表透射率为 0；反射谱中白色代表反射率为1，黑色代表反射率为0。从图7可见：随入射角θ增大，原位于10.600 μm处的缺陷位置在TM波的光谱中移至8.390 μm处，在TE波的光谱中则移至8.230 μm处；而在1.060 μm处的缺陷能级逐渐消失。但在1～5 μm和8～14 μm波段仍具有高反射、低透射特性，即仍具备对近、中、远红外光的伪装功能。由此可见，要实现 1.060 μm和10.600 μm波长处的全向“光谱挖孔”效应，很可能需要构建由2种单负材料组成的一维周期光子晶体复合结构[18]，即带隙宽度涵盖1.060 μm和10.600 μm波长的一维单负光子晶体材料和结构有可能实现激光和红外光的全向兼容伪装功能。

图7 光子晶体复合结构的带隙图Fig. 7 Calculated photonic bandgaps of composite photonic crystal structure

3 结论

1) 基于光子晶体结构光学特性，采用红外波段的透明材料碲化铅和氟化钡，借助薄膜光学理论的特征矩阵模型，可以设计出能满足对正入射的近、中、远红外光与1.060 μm和10.600 μm激光兼容伪装要求的光子晶体复合结构。

2) 当入射角变化时，随入射角增大，光子晶体复合结构在10.600 μm波长处的缺陷位置逐渐向短波方向移动，1.060 μm波长处的缺陷逐渐消失，即光波斜入射时激光伪装功能降低，1～5 μm和8～14 μm的红外伪装效果仍能保持。

[1] FU Shaoli, LI Hongjian, XIE Suxia, et al. Tuning of plasmonic behaviours in coupled metallic nanotube arrays[J]. Chinese Physics B, 2011, 20(8): 363−368.

[2] 程红飞, 黄大庆. 多频谱兼容隐身材料研究进展[J]. 航空材料学报, 2014, 34(5): 93−99.CHENG Hongfei, HUANG Daqing. Research progress in multi-spectrum compatible stealth materials[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34(5): 93−99.

[3] YABLONOVITCH E. Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics[J]. Physical Review Letters, 1987,58(20): 2059−2062.

[4] JOHN S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J]. Physical Review Letters, 1987, 58(23):2486−2489.

[5] FINK Y, WINN J N, FAN S, et al. A dielectric omnidirectional reflector[J]. Science, 1998, 282(5394): 1679−1682.

[6] WIERSMA D S, BARTOLINI P, LAGENDIJK A, et al.Localization of light in a disordered medium[J]. Nature, 1997,390(6661): 671−673.

[7] 高永芳, 时家明, 赵大鹏, 等. 一种基于光子晶体的中远红外双波段兼容伪装材料[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(4):970−974.GAO Yongfang, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng, et al. A kind of dual band of middle and far infrared compatible camouflage material based on photonic crystals[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(4): 970−974.

[8] 王超, 时家明, 赵大鹏, 等. 入射角度对远红外与激光兼容伪装光子晶体薄膜特性的影响研究[J]. 人工晶体学报, 2013,42(4): 635−638.WANG Chao, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng, et al. Effect of the incident angle to the compatible camouflage of photonic crystals film of far infrared and laser band[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2013, 42(4): 635−638.

[9] ZHAO Xuanke, ZHAO Qingwu, WANG Lianfen. Laser and infrared compatible stealth from near to far infrared bands by doped photonic crystal[J]. Procedia Engineering, 2011, 15(1):1668−1672.

[10] 高永芳, 时家明, 赵大鹏. 基于光子晶体的远红外与激光兼容伪装材料[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(4): 647−650.GAO Yongfang, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng. Far infrared and laser band compatible camouflage material based on photonic crystals[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(4):647−650.

[11] 王辉, 李永平. 用特征矩阵法计算光子晶体的带隙结构[J].物理学报, 2001, 50(11): 2172−2178.WANG Hui, LI Yongping. An eigen matrix method for obtaining the band structure of photonic crystals[J]. Acta Physica Sinica,2001, 50(11): 2172−2178.

[12] PALIK E D. Handbook of optical constants of solids[M]. San Diego: Academic Press, 1998: 683−699.

[13] 耿继国, 石宗华, 闫珂柱. 双缺陷光子晶体禁带结构特性研究[J]. 光电子•激光, 2006, 17(12): 1497−1501.GENG Jiguo, SHI Zonghua, YAN Kezhu. Study of bandgap structure of photonic crystals with two defects[J]. Journal of Optoelectronics•Laser, 2006, 17(12): 1497−1501.

[14] 李文胜, 付艳华, 张琴, 等. 含双缺陷的一维准周期光子晶体的缺陷模特性[J]. 半导体光电, 2010, 31(2): 241−244.LI Wensheng, FU Yanhua, ZHANG Qin, et al. Characteristics of defect mode of quasi-periodic 1-D photonic crystal containing double defects[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2010, 31(2):241−244.

[15] WANG Li, WANG Zhanshan, WU Yonggang, et al. Enlargement of the nontransmission frequency range of multiple-channeled filters by the use of heterostructures[J]. Journal of Applied Physics, 2004, 95(2): 424−426.

[16] WANG Xin, HU Xinhua, LI Yizhou, et al. Enlargement of omnidirectional total reflection frequency range in onedimensional photonic crystals by using photonic heterostructures[J]. Applied Physics Letters, 2002, 80(23):4291−4293.

[17] 高永芳, 时家明, 赵大鹏. 入射角度对一维光子晶体禁带的调制研究[J]. 红外技术, 2011, 33(4): 195−206.GAO Yongfang, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng. Research on modulation of incidence angle to photonic band gap of one-dimensional photonic crystal[J]. Infrared Technology, 2011,33(4): 195−206.

[18] 左翔, 赵选科, 王莲芬, 等. 基于一维单负光子晶体的激光/红外兼容隐身技术研究[J]. 舰船电子工程, 2014, 34(2):141−146.ZUO Xiang, ZHAO Xuanke, WANG Lianfen, et al. Laser/infrared compatible stealth technique based on one-dimensional single-negative photonic crystal[J]. Ship Electronic Engineering,2014, 34(2): 141−146.

Design of infrared and laser band compatible camouflage structure based on photonic crystals

YI Yi, DENG Lianwen, LUO Heng, LIU Sheng, HE Jun, ZHANG Xuejun,HE Longhui, HUANG Shengxiang

(Hunan Key Laboratory for Super-microstructure and Ultrafast Process, School of Physics and Electronics,Central South University, Changsha 410083, China)

The reflection and transmission spectra of the one-dimensional composite photonic crystal structure of lead-telluride and barium-fluoride were calculated by the characteristic matrix method of thin-film optics theory, and the possibility of compatible camouflage of the wide band infrared and laser was discussed. Furthermore, the omni-directional band-gap diagram of the composite photonic crystal structure under TE or TM wave was calculated to explore the effects of the changing incident angle. The results show that compatible camouflage of the wide band infrared and laser of 1.060 μm or 10.600 μm is achievable when incident light is normal to the designed composite structure. No matter the incident wave is TM or TE wave, when the incidence angle increases, infrared camouflage in 1−5 μm and 8−14 μm can also be maintained. But the defect mode moves to the shortwave band, and the laser camouflage is diminished.

photonic crystals; infrared light; laser; compatible camouflage

O434

A

1672−7207(2017)11−2966−06

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.017

2016−10−12；

2016−12−26

湖南省科技计划项目(2015JC2300146)；国家重点研发计划项目(2017YFA0204600) (Project(2015JC2300146) supported by Science and Technology Project of Hunan Province, China; Project(2017YFA0204600) supported by the National Key Research and Development Program of China)

邓联文，博士，教授，从事伪装隐身材料研究；E-mail: denglw@csu.edu.cn

(编辑 陈灿华)