多波段兼容隐身用光子晶体研究进展

孟子晖, 李仁玢, 邱丽莉, 王树山, 乔宇

(1.北京理工大学 化学与化工学院, 北京 100081; 2.北京理工大学 机电学院, 北京 100081;3.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144)

0 引言

随着现代军事科学技术的迅猛发展，各种先进的红外、激光、雷达侦察和精确制导武器等相继问世[1]。制导技术和探测手段日益多样化，使战场上武器装备可能同时面临多种威胁。因此，武器装备的隐身从红外、激光、雷达、可见光等单一波段，向多波段兼容隐身方向发展[2]。

目前通过多种单一波段隐身材料的有机组合方式，能够达到多波段兼容隐身的效果。在武器装备上应用隐身涂料、隐身篷布、隐身网、隐身复合材料等已初步实现了可见光/红外/雷达兼容隐身[3]。但是仍然存在一些问题：在红外波段的红外发射率较高、激光隐身与红外隐身无法实现兼容、红外隐身和雷达隐身需求相互制约等[4]。由此可见，仅通过传统的单一波段隐身材料组合很难解决多波段兼容隐身问题，而光子晶体材料的出现为解决多波段兼容隐身问题提供了新的思路[5]。

光子晶体这一概念是1987年贝尔实验室的Yablonovitch[6]在研究固体物理电子学中的自发辐射抑制问题时提出的，几乎同时，美国普林斯顿大学的John[7]在研究某些无序介质超晶格中光子的强局域化问题时也独立地提出了光子晶体的概念。光子晶体作为一种超材料，是指介电常数(或折射率)在空间周期性分布而具有光子禁带的特殊材料。频率处于光子晶体禁带频率内的电磁波，在光子晶体中不能传播；而频率处于光子局域频率范围内的电磁波则会透过光子晶体表现出高透射性。研究人员通过对构成光子晶体的材料组成、有效折射率、晶格参数等进行合理的设计，可以制备出具有特定波段光子禁带的光子晶体。随着光子晶体技术数十年的发展，光子晶体材料在隐身领域取得了很多研究进展。

本文将从红外多波段隐身、激光/红外兼容隐身、雷达/红外兼容隐身、可见光/红外兼容隐身和多波段兼容隐身5个方面介绍光子晶体在多波段兼容隐身方面的研究进展。

1 红外多波段隐身研究进展

目前，常用的红外侦测手段是通过红外热像仪来识别目标场景与背景在辐射亮度上的差异而实现探测的。因此红外隐身要求尽可能地减少武器装备与背景的红外辐射亮度差异[8]。

物体向外辐射能量的过程，遵循斯蒂芬- 玻尔兹曼定律：

E=σεT4，

(1)

式中：E为物体的全辐射出射度；σ为斯蒂芬- 玻尔兹曼常数；ε为物体的发射率；T为物体的绝对温度。由(1)式可知，物体的红外辐射能量大小取决于物体的温度T及发射率ε. 降低物体表面温度T较难实现，一般采用控制红外发射率ε来降低物体的红外辐射能量[9]。因此红外隐身技术要求用于目标的红外隐身材料具有低红外发射率，即要求材料对红外波段电磁波具有高反射和低吸收的特性。

目前，红外隐身主要是针对3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm两个红外大气窗口波段，但大部分红外隐身材料不能在中、远红外两个波段同时实现低的红外发射率。光子晶体以其独特的频率禁带选择性特点为解决红外多波段兼容隐身问题提供了一个新思路[10]。

2000年，美国Sandia实验室Lin等[11]在研究三维光子晶体对红外热辐射的增强和抑制机理时，制备了一种三维硅材料光子晶体薄膜。实验表明该薄膜可以实现在5.00～9.00 μm波段热辐射的增强和在10.00～16.00 μm波段热辐射的抑制。

同年，Blanco等[12]以二氧化硅蛋白石结构光子晶体为模板，制备了一种新型的具有近红外双波段完全光子禁带的三维硅反蛋白石光子晶体，其扫描电子显微镜(SEM)图像如图1所示。这种制备方法简单且成本极低，对规模化制备中、远红外大面积纯硅光子晶体具有重要的参考价值。

2001年，Temelkuran等[13]利用一维光子晶体的两个光子禁带设计了一种红外波段全向反射镜。该反射镜对于任意偏振态的电磁波在4.50～5.50 μm和8.00～12.00 μm两个波段上可产生全向反射，即在中、远红外波段内均实现了高反射、低辐射，也为后续波段范围的进一步拓展奠定了基础。

随后，Fleming等[14]制备了一种全金属三维木堆结构光子晶体，SEM图像如图2所示。其方法是在已经制备好的多晶硅/二氧化硅结构上选择性地移除硅棒，并通过化学气相沉积方法(CVD)回填钨。该结构在8.00～20.00 μm远红外波段对热辐射具有强抑制作用，同时对其他波段的辐射具有高的透射性。

2006年，Alive等[15]成功地制造了一种硫系玻璃(Ge33As12Se55)反蛋白石光子晶体，如图3所示，其光子带隙被调谐到3.00～5.00 μm和 8.00～14.00 μm的红外大气透明窗口区域，可见，该光子晶体可作为中红外和远红外波段兼容隐身材料。

国内在光子晶体红外隐身方面的研究开展较晚，经过科研工作者这些年的努力取得了较大进展，尤其是在基于一维光子晶体红外禁带展宽方面进行了大量研究，并取得了一系列进展。

2002年，Wang等[16]从理论上证明了多层介质反射镜的全向全反射频率范围可以根据光子异质结构大幅度地扩大。这种光子异质结构由两个全向光子带隙相互重叠的一维光子晶体组成，实现了两组光子晶体光子禁带的合并和拓宽。

2008年，赵大鹏等[17]使用碲和聚乙烯(PE)设计了中红外和远红外双波段一维异质结构光子晶体全向反射镜。该结构能够同时在3.40～5.40 μm和8.00～12.50 μm两个波段实现全向反射，满足中、远红外双波段兼容隐身的要求。

2009年，张民等[18]制备了一种碲化铅(PbTe)/冰晶石(Na3AlF6)一维复合光子晶体结构。该结构在3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm两个波段上都具有很高的反射率，为中、远红外多波段隐身材料的应用提供了有益的探索。

2012年，高永芳等[19]构造了一种异质结构光子晶体。该结构光子晶体在2.91～5.12 μm和7.62～12.29 μm波段的反射率达95%以上，基本实现了中、远红外双波段兼容隐身。

同年，Zhao等[20]选择碲化铅和氟化镁，分别用中心波长分别为10.60 μm、4.80 μm、2.50 μm和1.06 μm的4种光子晶体设计了一个复合光子晶体结构，在1.00～18.00 μm波段获得接近100%的反射率，很好地满足了全红外波段隐身的需求。

可见，光子晶体红外隐身材料利用光子禁带的物理特性抑制红外线的传播，实现了超低红外辐射率的优异特性[21]。通过改变光子晶体的材料种类、光子晶体微结构参数等方法，可以在不同波段呈现不同的反射、辐射特性，再将两种或两种以上不同周期结构的光子晶体构建成异质结构，从而实现红外多波段兼容隐身。

2 激光/红外兼容隐身研究进展

激光侦察技术是通过探测己方激光器发射激光的回波来发现和识别目标的，是一种主动型探测，具有效率高、穿透能力强、定向性好等优点。针对激光侦察技术特点，采用激光雷达截面(LRCS)参数来表征武器装备对激光侦测的隐身性能[22]。目标场景对LRCS的定义为激光雷达在接收机上产生同样光强的全反射球体横截面积，即

ALRCS=4πρA/Ω，

(2)

式中：ρ为武器装备的激光反射率；A为武器装备的实际投影面积；Ω为武器装备的散射波束立体角。ALRCS值越大，表明武器装备越容易被激光雷达发现或者被激光制导锁定。

目前使用的激光探测器主要是波长为1.06 μm的钇铝石榴石激光器和波长10.60 μm的二氧化碳激光器。激光隐身技术主要针对的就是这两个波长，要求隐身材料对这两个波长的光具有较低的反射率。而这两种激光器的波长都在红外光谱波段内，分别对应着近红外波段和远红外波段，这与红外隐身要求材料对红外波段电磁波具有高反射和低吸收的特性相互制约。可见，红外/激光兼容隐身一直是兼容隐身的难题，依靠单一结构材料实现红外/激光兼容隐身功能非常困难。

光子晶体材料基于光子禁带的高反射特性可以实现红外光隐身功能；通过采用“光谱挖孔”(使材料在激光探测器的工作波长1.06 μm或10.60 μm附近出现较窄的低反射率带、在其他红外光波段均呈现高反射特性，如同在红外波段光谱上挖孔)的方法可以实现激光隐身效果，即达到激光/红外兼容隐身的目的。

2007年，高海潮等[23]针对军事上应用比较广泛的波长为10.60 μm的二氧化碳激光器, 利用薄膜光学的特征矩阵计算光子晶体反射光谱，提出了一种在铜基底上掺杂氯化钾的一维硒化锌/锑化铝光子晶体“光谱挖孔”方法实现了激光与红外的兼容隐身，为后续研究提供了重要参考。

2009年，刘必鎏等[24]设计了一种掺杂硒化锌的一维硒化镉/二氧化硅光子晶体。该晶体在波长1.06 μm处的光谱吸收率为94.7%，在波长10.60 μm处的光谱吸收率为94.6%，在波长8.00～14.00 μm的其他范围中的光谱反射率大于95.0%，可以满足激光/红外兼容隐身的要求。

2010年，高永芳等[25]选择红外波段透明的材料A和B，利用薄膜光学理论中的特征矩阵模型，设计出了一种红外/激光兼容隐身的光子晶体。该光子晶体在波长10.60μm处反射率几乎为0，在远红外波段反射率接近100%，呈现出很强的“光谱挖孔”效果，可实现远红外和波长10.60 μm激光的兼容隐身，如图4所示。

2011年，Zhao等[26]通过在1.06 μm和10.60 μm的军用激光波长处形成掺杂光子晶体的“挖孔”，构建了一种碲化铅和冰晶石一维双缺陷异质结构光子晶体。该晶体材料在1.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm两个红外波段的光谱反射率大于99%，在波长1.06 μm和10.60 μm处的光谱透射率大于96%，基本实现了近、中、远红外多波段的激光/红外兼容隐身。

2016年，Miao等[27]在硅片上交替沉积碲、硒化锌和硅材料，制备了一种异质掺杂一维光子晶体。红外光谱测试结果表明，该光子晶体对红外大气窗口波段和二氧化碳激光具有低反射率，很好地做到了红外/激光兼容隐身。

同年，张继魁等[28]利用碲和氟化镁设计出了一种掺杂锗的一维光子晶体薄膜(见图5)。这种具有“光谱挖孔”特性的光子晶体材料可以实现波长1.06 μm和1.54 μm激光与红外兼容隐身。

同年，Wang等[29]利用真空镀膜方法在刚性硅基板和柔性塑料聚笨乙烯与涤纶(PET)基板上制备出了一种光子晶体薄膜(见图6～图8)，通过薄膜光学理论的特征矩阵方法实现了远红外和波长10.60 μm的激光兼容隐身。该研究为制造用于远红外线和激光兼容隐身应用的光子晶体薄膜提供了新的材料，具有高柔韧性和优异的伪装兼容性。

2017年，易怡等[30]采用红外波段的透明材料碲化铅和氟化钡，并借助薄膜光学理论中的特征矩阵模型，设计出了一款对于正入射的近、中、远红外光与波长1.06 μm和10.60 μm激光，能同时满足激光/红外兼容隐身要求的复合结构光子晶体。

从以上文献中的报道可以看出，利用光子晶体的光子禁带与光子局域的协同作用可以实现激光/红外兼容隐身，但是目前实验较为成功的都是一维光子晶体异质结构薄膜。而二维光子晶体和三维光子晶体也具有光子局域特性和优势，但是在红外大气窗口波段上实现低辐射的同时，在激光波长上实现“光谱挖孔”的二维或三维光子晶体还未见报道。因此光子晶体在激光/红外兼容隐身方面还有很大的发展空间。

3 雷达/红外兼容隐身研究进展

雷达隐身材料是通过衰减吸收、偏转雷达回波等方法降低雷达散射截面积，要求对雷达波高吸收、低反射或高透射；而红外隐身材料则是依靠降低目标的红外辐射强度来实现红外隐身的，要求对红外波段低吸收率、高反射率[31]。如果某种材料对于红外波段的电磁波具有低吸收/高反射的特性，而对其他波段的电磁波具有低反射/高透射的特性，则这种材料就能较好地满足雷达/红外兼容隐身的要求。

早在20世纪80年代，国外利用掺杂氧化物半导体材料实现了雷达/红外复合隐身[32]。近些年，国内开始对一些包覆金属粉末的复合微纳米结构进行研究，提出了多层膜结构的复合隐身材料。但是，将含金属粉末和半导体材料的红外隐身涂料涂覆于雷达隐身材料表面时，对雷达波段电磁波具有一定的反射效果，影响雷达隐身材料的吸波性能；将雷达吸波材料涂覆在红外隐身涂料外面时，又会由于雷达吸波材料在红外波段的吸收作用提高红外波段的辐射效应，因此红外/雷达的完全兼容一直难以实现[33]。

光子晶体以其独特的光子禁带效应为雷达/红外兼容隐身提供了新的思路。由于大多数雷达工作在1～15 GHz的微波频率范围内，即波长在2～30 cm之间，与3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm这两个红外“大气窗口”没有交集。因此可以利用雷达波高透射材料组成禁带在红外“大气窗口”的光子晶体，从而既可以实现雷达波段的高透射，又可以做到红外波段的低辐射，实现雷达/红外兼容隐身。

2014年，Wang等[34]利用锗和硫化锌介质层交替制备了一种一维双异质结构复合光子晶体(见图9)。该晶体在3.00～5.00 μm和8.00～12.00 μm两个波长范围内的红外发射率分别低至7.3%和4.2%. 此外，该光子晶体在雷达波段是高透射的，将这个双异质结构复合光子晶体结构与雷达吸波材料结合起来，完全可以实现雷达/红外兼容隐身。

综上所述可见，利用光子晶体红外低辐射特性实现红外隐身的同时，还可以利用其对雷达波的高透过性，将其与微波吸收材料结合，实现雷达/红外兼容隐身。只是目前国内雷达/红外兼容隐身光子晶体主要围绕一维光子晶体展开，后续应该向二维、三维光子晶体方向多进行积极的探索。

4 可见光/红外兼容隐身研究进展

军事目标的可见光隐身主要是针对人眼的目视、照相以及摄像等观测手段所采取的隐身技术[35]。红外侦察是通过测量分析目标的红外辐射对目标进行探测和识别，利用目标与背景红外辐射的差别来发现目标。可见光和近红外兼容隐身材料的光谱特性应与背景特征尽量一致，不同背景之间颜色不同，光谱特征也完全不同。

2016年，Qi等[36]首次对基于锗/硫化锌的可见/红外兼容隐身一维光子晶体开展了理论和实验研究。该光子晶体在3.00～5.00 μm红外大气窗口波段上的平均反射率为95.1%，平均发射率为5.4%，满足了中红外隐身的要求。利用薄膜等倾角干涉理论设计了4种不同颜色的光子晶体，通过改变表面层的厚度，在制备的光子晶体上实现了卡其色、棕色、深蓝色和青色4种颜色(见图10)，为红外/可见兼容隐身提供了一个可行的技术途径。

目前的可见光隐身主要通过多色迷彩图案实现，而可见光与红外兼容隐身主要通过制备多种颜色的光子晶体红外隐身材料实现。但是由于受到制备技术的限制，目前光子晶体可见光/红外兼容隐身材料仅对一维光子晶体进行了探索，二维、三维光子晶体鲜有报道。

5 多波段兼容隐身研究进展

国内光子晶体在多波段兼容隐身方面研究的主要思路，是将前述4种兼容隐身进行合理的组合。但是主要还是以一维光子晶体为基础，通过改变构成光子晶体的材料种类、膜的层数周期、膜的厚度等方法实现在不同波段呈现不同的反射、辐射特性，从而达到多波段兼容隐身的目的[37]。

2012年，王超等[38]从可见光、红外以及雷达等多波段兼容隐身机理出发，以光子晶体这种新型材料为基础材料，通过结构设计使3个波段的隐身实现了兼容(见图11)，突破了以往多频段兼容隐身材料性能兼容的瓶颈，为今后开发新型多波段兼容隐身材料提供了新的思路。

同年，南京理工大学韩玉阁等[39]将银膜和硫化锌膜层层叠加构成的膜系结构与以碳化硅“蛾眼”为基础构成的锥台结构复合并优化，设计出了一种较好的多波段兼容隐身复合结构。该复合结构较好地实现了可见光、中远红外、波长1.00 μm和10.60 μm激光等多波段的兼容隐身，具有灵活的光谱控制特性。

2015年，苗雷等[40]根据薄膜理论，采用电子束蒸发、薄膜沉积等技术，设计并制备了一种在3.00～5.00 μm波段红外隐身，同时兼容0.90 μm、1.06 μm和10.60 μm激光波段的光子晶体，在一定程度上达到了中红外与多波段激光兼容隐身的要求。

2016年，Wang等[41]在研究太赫兹波在远红外二氧化碳激光兼容隐身光子晶体涂层中的传输特性时，制备了一种由锗和硒化锌构成、掺杂硅的一维光子晶体，结构如图12所示。该光子晶体在实现了远红外与二氧化碳激光兼容隐身的同时，又对太赫兹波具有很好的透射性，为红外/激光/雷达兼容隐身光子晶体材料的制备提供了很好的思路。

2017年，Zhang等[42]进一步研究了利用锗和硒化锌制备的掺杂硅结构一维光子晶体，实现了8.00～14.00 μm波段和波长10.60 μm的激光/红外兼容隐身，再与雷达吸波材料结合制成了多波段兼容隐身材料，可实现8.00～14.00 μm远红外大气窗口波段和波长10.60 μm激光的红外/激光/雷达兼容隐身。

当前对于多波段兼容隐身方面的研究，大多数成果还集中在一维光子晶体上。虽然无论制备还是掺杂或者“挖孔”，一维光子晶体都有其简单易行的优势，但是也正因为一维光子晶体只有层层堆叠单一的制备形式，才限制了光子晶体在多波段兼容隐身方面的发展，建议后续加强二维和三维光子晶体在多波段兼容隐身方面的应用研究。

6 光子晶体材料在隐身领域的发展趋势

光子晶体材料在隐身领域最主要的发展趋势就是向智能隐身材料方向发展。智能隐身材料又称自适应隐身材料，是一种具有自动感知功能、信息自动处理功能、自我发出指令并能作出最佳响应的材料。它可以通过温度感知材料(如变温材料)、湿度响应材料(如吸水、缩水材料等)、磁致伸缩材料、电致伸缩材料或化学响应材料等随某一变量自动发生相应改变，从而达到自适应隐身的效果[43-45]。智能隐身材料的出现推动了光子晶体隐身材料的发展，预期通过材料的智能调节能够同背景达到更好的融合效果。

在磁场响应光子晶体方面，2007年Ge等[46-47]利用聚丙烯酸酯与磁性纳米颗粒(Fe3O4)制备的胶体光子晶体对磁场具有快速、灵敏的响应的特性，实现了在可见光范围内的全波长磁场调控。该结构为智能隐身材料在可见光隐身方面的应用提供了一个新的思路。

在电场响应光子晶体方面，2008年Puzzo等[48]制备出了一种具有电活性的反蛋白石光子晶体膜(见图13)。该膜以掺锡氧化铟(ITO)膜为载体，得到了一种反射率受电场调控的聚合物膜材料。施加不同的电压，该材料可呈现不同的颜色。如果将该调控范围扩展到红外波段，则预计可实现较好的智能红外隐身效果。

对于化学响应光子晶体，2013年Phan等[49]利用鱿鱼皮肤中提取的含有反光蛋白质的血小板制备了一种光子晶体结构。该结构在醋酸溶液的刺激下，血小板的厚度和间距会发生变化，从而使皮肤反射不同的光线(见图14)。该结构对光波长的调节范围达400 nm以上，覆盖了整个可见光波段甚至近红外波段，从而实现红外隐身。

总之，智能隐身技术是未来隐身领域重要的研究方向[50]。随着新材料的不断出现和新型制备技术的持续发展，随外界化学刺激、温度、电场、磁场等而改变发射率的材料，必然会在智能隐身研究中占有一席之地[51-55]。

7 总结与展望

本文归纳了光子晶体应用于多波段兼容隐身领域的新进展和最新发展动态，并针对光子晶体隐身材料对宽禁带的高反射、多波段兼容、动态调整等需求，提出了相应的解决思路，现总结如下：

1)多波段兼容隐身仍是隐身技术的主要发展趋势。为了实现多波段兼容隐身，首先要考虑两种隐身手段之间的关联和共通点。对于红外/激光兼容隐身材料，除了保证相应波段的高反射率之外，还要考虑采用掺杂或“挖孔”等手段保证某个或几个波长处的高透射率来实现兼容隐身。对于红外/雷达兼容隐身技术，主要是研制透雷达波的红外隐身光子晶体。随着科技的发展、研究的深入，可以考虑微波、太赫兹波、可见光、激光等与红外波段的多频段兼容隐身。

2)多种隐身材料相结合，如光子晶体薄膜、雷达吸波材料、迷彩涂料等多种材料结合成复合型隐身材料。由多层不同功能的隐身材料优势互补，合理利用每一层的排布关系，可以提高目标的多波段兼容隐身效率。

3)随着新材料的不断涌现和新技术的不断发展，应多尝试用新材料来设计制备光子晶体。例如，光子晶体中掺杂半导体材料，或用半导体材料做反蛋白石光子晶体；光子晶体与空心导电微珠或导电高聚物相结合，有望提高隐身材料的吸波效能。

综上所述，光子晶体材料在隐身领域的发展趋势逐渐向“多波段、全方位、多功能、低成本”的方向发展。从光子晶体概念的提出到现在只有短短的30年，当前对于光子晶体材料在隐身领域的研究还主要停留在如何实现材料的多波段兼容隐身波谱特征，尚未进入应用阶段。尽管距离光子晶体材料在武器装备上的成熟应用还有很长一段路要走，但随着科技的不断进步、对光子晶体研究的不断深入，光子晶体因其结构的可设计性、禁带的可调整性、光子局域与光子禁带等优异特点，未来必将在多波段兼容隐身领域大放异彩。