一种具有均匀衍射分布的电磁屏蔽激光红外双波段光窗

李 季,肖 迪

(1.湖北久之洋红外系统股份有限公司,湖北 武汉 430223；2.青岛嘉星晶电科技股份有限公司,山东 青岛 266108)

1 引 言

金属网栅薄膜是一种非连续性的透明导电薄膜,在可见光和红外波段呈高透特性,在微波和雷达波波段则呈高反带阻特性。金属网栅薄膜一般具有周期性结构,改变其周期结构参数可以实现特定波段的滤波功能,这是因为金属网栅薄膜的线宽为微米或亚微米量级,周期为亚毫米量级,可见光和红外波段的电磁屏蔽波长远远小于金属网栅的周期长度,微波及雷达波段电磁波波长远大于网栅周期。表面制备有金属网栅薄膜的光窗兼具光学波段的高透过性和微波/雷达波段的优良电磁屏蔽特性,成为目前较为常用的实现光学窗口电磁屏蔽的技术手段之一[1-4]。

金属网栅薄膜的非连续性,导致其对入射光束会产生衍射作用,将其镀制在光电探测设备光学窗口上时,衍射光会成为光学系统中的杂光,影响成像质量,会造成设备分辨率和探测距离的下降。为了降低这一不利影响,国内外的科研工作者进行了大量的工作,试图通过改变金属网栅结构来定量控制次级衍射分布[5-8]。本文提出了一种随机圆环结构金属网栅,对网栅的光学透过率、衍射分布和电磁屏蔽效能进行了仿真,仿真结果表明该网栅结构具有良好的光学/电磁屏蔽性能。

2 随机圆环网栅设计

本文随机圆环网栅的基础结构采用四方排列圆环结构,通过对圆环的圆心和直径进行随机赋值,得到随机圆环结构。考虑到工程化应用,随机圆环网栅不能无限制扩大,一般会使用一定数量的随机圆环作为基础结构单元,修饰边界之后,最终得到周期化随机圆环网栅,设计流程图如图1所示。

图1 随机圆环金属网栅设计流程图

为了使本文设计的随机网栅可以进行周期化处理,在随机圆环结构外包裹了一层半径相同的周期性圆环,这些圆环的半径和随机圆环左下角圆环半径相同,设定为100 μm,其他圆环直径按照相应比例进行缩放,圆环网栅线宽为3 μm。

3 随机圆环网栅性能仿真

3.1 随机圆环网栅衍射分布仿真

随机圆环网栅衍射分布仿真计算基于离散化思想,将网栅图形进行像素化处理,变换为二维平面上的黑白两色位图,其中网栅线条为黑色不透光,网栅网孔为白色透光；再将黑白双色位图转变为包含0和1两种元素的矩阵,透光部分在矩阵中的数值为1,不透光部分在矩阵中的数值为0,将随机圆环金属网栅图形转化为对应的二维矩阵,将此矩阵做快速傅里叶变换之后取模平方,就得到了随机圆环金属网栅的衍射分布图。

在离散化的衍射分布计算之前,需要建立衍射屏,衍射屏由透光的金属网栅网衍射孔和不透光的网栅线条、遮挡板组成。离散化衍射分布计算中衍射屏遮光面积是有限的,在衍射孔径固定时,若孔径四周遮光面积过小,则不能够满足夫琅禾费衍射条件,会造成衍射分布计算结果误差较大或者失真。为了保证离仿真结果的准确性,需在衍射孔的周围设置面积较大的不透光遮光板,本文将衍射屏设置为正方形,衍射孔为圆形,衍射屏边长为衍射孔直径的3倍。如图2所示。

图2 金属网栅衍射仿真衍射屏示意图

使用快速傅里叶变换对随机圆环网栅的衍射分布进行了仿真,结果如图3所示。从图3中可以看到,随机圆环网栅次级衍射较为均匀地分布在零级衍射光斑周围,没有出现周期性网栅所呈现的非常明显次级衍射集中分布的现象。为了表征随机网栅的衍射分布,本文在随机圆环网栅衍射分布图上取三处离零级衍50、100和150像素的位置分别代表+1级、+2级、+3级衍射,归一化衍射能量如表1所示。

表1 随机圆环网栅高级次衍射能量对比

图3 随机圆环网栅衍射能量分布

归一化衍射能量的定义如等式(1)所示:

(1)

其中,S为归一化衍射能量；Sn为某一级次的衍射能量；S0为零级衍射能量。

从计算结果中可以看到,随机圆环网栅的+1～+3级衍射能量能够控制在-4 dB及以下,即次级衍射能量为零级衍射的0.01 %以下。

在有电磁屏蔽光窗的光学系统中,金属网栅的衍射光是系统中杂散光的主要来源之一。衍射分布仿真结果表明,随机圆环金属网栅的次衍射能量围绕零级衍射分布较为均匀,能够在一定程度上避免次级衍射的强度叠加,使杂散光成为比较均匀的背景噪声,降低了网栅次级衍射对复杂光学系统成像的不利影响。

3.2 随机圆环网栅光学透过率仿真计算

随机圆环网栅光学透过率仿真计算方法是通过计算网栅透光部分面积与总面积的比值,得到网栅的光学透过率。首先将网栅图形进行简化处理,对于随机结构网栅,只有网栅线条交汇处存在线条面积重合的现象,然而这些交汇处的面积占比非常低,不足网栅线条总面积的1 %,在工程化计算中可以忽略不计。将随机网栅图形转换为dxf格式文件,使用CAD软件读取每个栅线的长度,将长度求和后再乘以网栅线条宽度,即可得到网栅线条总面积,进而可得出网栅的透过率。

本文中随机圆环网栅的一个大周期网栅线条长度为29330 μm,网栅线条宽度3 μm,每个周期总面积为1155625 μm,通过计算可得随机圆环金属网栅的光学透过率为92.4 %,具有良好的光学透过率。

3.3 随机圆环网栅电磁屏蔽效能仿真计算

随机圆环网栅电磁屏蔽效能仿真计算方法为:将随机圆环网栅周期结构导入到电磁屏蔽效能仿真软件中,设置材料为Al,厚度300 nm,并设置10 mm厚的窗口基底,材料为蓝宝石,设置周期性边界条件和入射出射端口后即可进行网栅电磁屏蔽效能的仿真,仿真结果如图4所示。可以看到随机圆环网栅电磁屏蔽光窗在1～18 GHz频段范围内屏蔽效能均优于20 dB,具有优良的电磁屏蔽效能。

图4 随机圆环网栅电磁屏蔽效能仿真结果

4 试验数据核算

根据本文构建的随机圆环金属网栅模型,在现有蓝宝石光电窗口上进行了屏蔽网栅的试制工作,试制样片如图5所示。

图5 随机圆环金属网栅试制样片

对该样片在镀制金属网栅后的透过率、电磁屏蔽效能进行测试,测试结果如表2、表3所示。

表2 随机圆环金属网栅屏蔽窗口透过率测试

表3 随机圆环金属网栅屏蔽窗口电磁屏蔽效能测试

从测试结果来看,蓝宝石光学窗口在镀制了随机圆环金属网栅后,整体的光学透过率能满足实际使用需求；电磁屏蔽效果基本符合仿真结果,具有良好的电磁屏蔽效能。

5 结 论

本文构建了随机圆环金属网栅模型,对带有基底材料的网栅的衍射分布、光学透过率和电磁屏蔽效能进行了仿真计算,并进行了样片试制和测试工作。结果表明:随机圆环网栅结构的高级次衍射均匀分布在零级衍射附近,无明显的高级次衍射集中分布现象,衍射能量强度随着远离零级衍射的方向下降较快,网栅光学透过率满足使用要求,电磁屏蔽效能优于20 dB,具有优良综合性能。