电介质/金属/电介质膜系实现可见光波段高透兼容激光隐身研究*

农洁 张伊祎 韦雪玲 姜鑫鹏 李宁 王冬迎3) 肖思洋 陈泓廷3) 张振荣 杨俊波‡

1) (广西大学计算机与电子信息学院,广西多媒体通信与网络技术重点实验室,南宁 530004)

2) (国防科技大学物质与材料科学实验中心,长沙 410073)

3) (西南科技大学数理学院,绵阳 621010)

各类光电设备的光学窗口中普遍存在的“猫眼效应”是激光主动探测系统的主要依据,这对军事装备和单兵作战人员构成了极大的威胁.然而,在保证高可见光透过率的条件下,针对激光主动探测的狙击隐身方案仍然有待商榷.本文利用遗传算法对超表面减反射膜进行逆向设计,用Si3N4 和Ag 组成三层减反增透膜,并在其顶层增加长方形阵列的微纳结构金属形成波长选择性吸收器,以实现激光波长低反射高吸收的效果.将器件设计与遗传算法相互结合,通过算法优化得出最符合器件目标性能的参数组合,达到了可见光平均透过率88%,最大透过峰值94%,1550 nm 激光波长反射率10%,吸收率80%的效果.本文设计的超表面减反射膜不需要增加额外装置且成像质量得以保证,同时能有效减小激光的回波能量,从而高质量地实现可见光透过与激光隐身的兼容,为反猫眼探测的作战策略提供了一种行之有效的设计思路.

1 引言

在现代战争中,狙击手能用最小的作战成本让敌军受到最大的威胁,因此成为各个国家军队单兵作战关注的对象,世界各国不遗余力地训练优秀狙击手的同时,对反狙击作战系统[1]的研究也不断发展,各式各样的反狙击系统层出不穷.声探测系统[2]是反狙击探测系统之一,通过布置麦克风阵列来接收子弹出膛以及飞行时产生的冲击信号,从而对到达麦克风阵列的时间差进行计算,大致定位出狙击手方位.声探测系统的工作原理限制了使用场景,声探测系统在多名狙击手同时作战的场景下很难分辨出具体方位,由于设备众多,声探测系统大多被安装在装甲车上,应用于城市作战,且声探测系统只能确定狙击手的方位,无法进行精确定位.自1990 年代起,光电对抗技术[3]开始在反狙击领域崭露头角,红外反狙击手探测系统[4]采集狙击手开枪后枪口处的闪光和热量变化,分析其红外信号以精确判断狙击手位置.但是红外反狙击手探测属于被动探测方式,只有当狙击手开枪后才能定位,开枪与定位的时间差给狙击手提供了转移的可能,且该方式受天气变化和环境影响较大,糟糕的天气和环境条件下,极有可能出现错误判断影响战略部署.同时,红外探测系统无法区分具有与枪口闪光相同红外特征的红外发射器.随着光电子技术的进一步发展和实际作战形势的需要,基于“猫眼效应”的激光主动探测[5−7]技术在反狙击手侦察和信息获取中发挥着重要作用.与猫的眼睛一样,根据光路可逆原理,当激光光束照射到目标光电设备的光学窗口且进入光学系统视场时,有一部分激光光束被反射回来,被激光探测器接收并进行滤波处理,对回波功率进行分析,就可以精确确定枪手位置.激光探测系统采取主动探测的方式且具有方向性好、功率高、亮度大、灵敏度高、探测距离远和抗电磁干扰能力强等优点,被广泛应用于反狙击探测领域,但该方式必须依托光学目标“猫眼效应”的工作原理,若狙击方消除了“猫眼效应”则激光探测系统致盲.

狙击与反狙击作为矛和盾的存在,愈发先进的反狙击技术大大增加了狙击手暴露的可能性,因此伪装技术的优劣以及对探测系统的应对策略与任务的成败和狙击手的生命安全直接相关.针对在军事领域广泛使用的激光主动探测方式,狙击方可通过减小光电系统自身的“猫眼效应”以降低激光回波功率的强度,从而缩短探测距离,增强作战隐蔽性和生存能力.常见的激光器有波长为1060 nm的Nd:YAG 激光器[8]、波长为1550 nm 的掺铒激光器[9]和波长为10600 nm 的二氧化碳激光器[10],1550 nm 波长是探测系统常用的激光波长之一[11,12],其具有光束能量高且集中,空气衰减较低,人眼安全性更高,探测距离更远,隐蔽性更强的优点,因此1550 nm 激光器具有更广泛的应用前景,成为新的发展趋势.

李攀等[13]利用有限时域差分方法设计并优化了由SiO2组成的双层和三层减反射膜在1550 nm波长附近实现了减反射效果.季雪淞等[14]设计了微纳阵列复合结构增强1550 nm 处的吸收.应用于狙击光学系统的隐身策略不仅要求实现激光隐身,同时需要保证可见光光路的正常通行,确保可见光的透射效果.郑臻荣等[15]利用TiO2和MgF2组成的8 层结构设计了400—1000 nm 范围内的超宽带减反射膜.寇立选等[16]选用Ti3O5,SiO2和MgF2制备了10 层结构的超宽带减反射膜.贺才美等[17]选择ZnS 和YbF3作为高低折射率材料实现了可见光到近红外以及远红外波段的双波段增透.

制备可见光波段的减反增透薄膜已经屡见不鲜,各类针对激光隐身的光电子器件也数不胜数.然而,两者都是仅关注透过或吸收性能,鲜有将两者性能结合起来应用于狙击光学系统反侦察的超表面研究.基于上述研究现状存在的空缺,本文设计了由金属Ag 和介质材料Si3N4组成的超表面减反射膜,实现了在380—780 nm 可见光波段的高透射效果与近红外激光波长1550 nm 高吸收性能的兼容,利用纳米级超薄Ag 膜的异常透射特性,通过选择能与Ag 膜实现阻抗匹配[18]的介质材料Si3N4来达到增强透射减少反射的效果,又得益于纳米结构调控光场的特殊能力,电磁波的光场能量被吸收,减少了激光波长处的强反射,进而实现了目标激光波长上的隐身效果,为反猫眼探测的作战策略提供了一种行之有效的设计思路.

2 结构模型和方法

本文所设计的超表面减反射膜的结构示意如图1 所示,由顶层长方形微纳结构Ag 阵列/上层Si3N4/Ag 层/下层Si3N4组成,通过遗传算法优化得到的几何参数t1,t2,t3分别表示下层Si3N4厚度,中间Ag 层厚度,上层Si3N4厚度,以及l,w,t4分别表示顶层长方形微纳结构Ag 的长、宽和厚度.所设计的超表面减反射膜由于等离子体共振和材料的固有特性,实现了在可见光波段的高透过与激光隐身的兼容.

图1 超表面减反射膜示意图Fig.1.Diagram of metasurface antireflection film.

通常,对于设计复杂结构的物理现象及其电磁场特性很难完全用解析式表达出来,得益于计算机的发展,出现了数值模拟这一研究手段.本文在研究时主要采用时域有限差分方法(finite difference time dome,FDTD),这是一种求解麦克斯韦方程组的直接时域求解方法,其基本思想是在电磁场中对电场和磁场在空间上和时间上间隔交替采样,并且在任意电场或磁场分量的周围都包围着4 个电场或磁场分量,用这种离散的方式把含有时间分量的旋度方程转化为差分方程,进而在时间轴上推解出空间分布的电磁场.当离散后的差分方程是收敛且稳定的,则差分方程的数值解可以被认为是原方程的解.

遗传算法是通过模拟达尔文的遗传选择和优胜劣汰的生物进化过程的一种随机搜索算法,采用概率化寻找参数能够自动调整优化方向,本文利用遗传算法来寻找满足目标光谱要求的最优参数组合.将需要优化的参数t1,t2,l和w作为个体的基因,用二进制编码表示,算法将每一个个体的基因传递到仿真软件进行模拟仿真,得到透射光谱和反射光谱后再反馈给算法,通过逐代的选择、交叉和变异的具体操作,产生新个体.为了性能优越的个体不被淘汰,将每一代每一个个体的适应度函数(figure-of-mert,FOM)计算出来并进行排序,将保留下FOM 函数最大的30 个个体,剩余的个体则由选择、交叉和变异的个体组成,由此构成新一代种群,继续进行迭代.经过不断的迭代,得出适应度最大的个体基因即结构的最优参数组合,本文所用遗传算法流程如图2 所示.

图2 遗传算法流程图Fig.2.Genetic algorithm flow chart.

本文中设定遗传算法的适应度函数为

其中,λ1和λ2分别表示所关注波段的起始波长和截止波长,对应可见光范围380—780 nm;表示λ1和λ2波段内的平均透过率;A(λ) 表示λ波长下的吸收率.利用公式A(λ)=1-R(λ)-T(λ)计算出吸收光谱A(λ),可以由(2)式计算出来:

其中,T(λ) 表示λ波长下的透射率.设计FOM 函数时,将可见光平均透过率和近红外吸收率的权重分别设定为0.6 和0.4,是为了侧重于保证可见光的高透过,以便能够清晰成像,同时又能够保证近红外的高吸收率.

3 结果和分析

3.1 数值模拟仿真结果

本文将电介质/金属/电介质(dielectric/metal/dielectric,DMD)三层膜系与周期性图案化微纳结构结合,把遗传算法运用到最优几何参数组合的寻找上,得到性能优越的超表面减反射膜,在380—780 nm 可见光波段有较高的透过率并且能够有效降低1550 nm 激光的回波能量,通过常用的膜层制备方法和微纳结构刻蚀艺即可将该超表面减反射膜制备出来.

在数值模拟仿真中,设定平面波从z轴的正方向入射到超表面减反射膜,在x和y方向上设置周期性边界条件,z方向上设置完美匹配层,超表面减反射膜的透射光谱T(λ) 和反射光谱R(λ) 可以从仿真软件的监视器中得到.将未使用算法的结构初始参数设定为: 周期P=350 nm,下层Si3N4薄膜厚度t1=35 nm,中间Ag 层厚度t2=10 nm,上层Si3N4厚度t3=35 nm,以及顶层微纳结构Ag的几何参数,长l=190 nm,宽w=60 nm,厚t4=10 nm,整个初始超表面减反射膜的总厚度为90 nm.经过遗传算法30 次迭代,对整体结构的t1,t2,t3以及l和w进行迭代优化,得到最优几何参数为:P=350 nm,t1=41 nm,t2=18 nm,t3=41 nm以及l=166 nm,w=62 nm,t4=10 nm,整个超表面减反射膜的总厚度为110 nm.

模拟仿真得到所设计的超表面减反射膜的透射光谱、吸收光谱以及反射光谱与初始结构的对比结果如图3 所示.优化后的结构在380—780 nm可见光波段内的平均透过率可达88%,在484 nm处出现峰值为94%的透射峰,在1550 nm 激光波长处的反射率仅为10%,吸收率为80%,算法优化前后的参数和性能对比如表1 所示.分析结果可知,经过算法优化后的几何参数能够显著地提高可见光范围内的平均透过率及1550 nm 处的吸收率,整体结构在不影响成像质量的前提下,可以很好地实现激光隐身的预期目标.

表1 算法优化前后结构的性能对比Table 1.Performance comparison of the structure before and after algorithm optimization.

图3 算法优化前后性能对比 (a) 算法优化前后380—780 nm 透过率对比;(b) 算法优化前后1550 nm 反射率/吸收率对比Fig.3.Performance comparison before and after algorithm optimization: (a) Comparison of transmittance between 380 nm and 780 nm before and after optimization;(b) reflectance/absorption ratio of 1550 nm before and after optimization is compared.

超表面减反射膜同时实现了可见光高透过和近红外低反射的功能,这归因于超薄Ag 膜的异常透射特性和Si3N4材料几乎无损耗的性质,以及微纳结构产生的等离子体共振.超表面减反射膜的等效阻抗与自由空间相匹配,使得金属反射电磁波的特性被抑制,因此可见光电磁波可以最大限度地透过整个超表面减反射膜,又因为微纳结构能够操控光场,使得光场能量转化为热能而被消耗.

3.2 理论分析

在所有金属材料中,Ag 在可见光波段内具有较小的吸收[19],且超薄Ag 膜比常用的透明导电薄膜ITO 具有更高的可见光透过率[20],是设计D/M/D减反射膜系的理想选择.纳米量级的连续金属薄膜的透过率与厚度密切相关,若Ag 薄膜的厚度低于临界厚度,则由于未形成连续薄膜而表现为岛状Ag膜对光能量的强烈吸收;若Ag 薄膜的厚度过大,则反射率大大提高导致透射性能不佳.Ag 和Si3N4材料的折射率如图4 所示,可以看出在可见光范围内,Ag 的消光系数较低,被选作增透层材料的Si3N4在可见光波段内可以看作是无损耗的,即消光系数近乎为0[21].超薄Ag 膜与介质材料Si3N4组成D/M/D三层膜系,合理设计膜系的各层厚度使整个膜系的等效阻抗与自由空间的阻抗相匹配,可达到减反增透的效果,实现可见光波段高透过的设计目标.

图4 Ag 和Si3N4 的折射率 (a) Ag 在380—780 nm 的折射率;(b) Si3N4 在380—780 nm 的折射率Fig.4.Refractive index of Ag and Si3N4: (a) Refractive index of Ag at 380−780 nm;(b) refractive index of Si3N4 at 380−780 nm.

使用仿真软件查看结构内部的电磁场分布,以便更好地理解其在可见光波段产生高透过和在近红外波段中产生吸收效应的机理.用Lorent-Drude色散模型分析厚度为18 nm 的超薄Ag 膜在484 nm波长下xz截面的归一化电场分布,如图5 所示,大部分的电场能量被超薄Ag 膜反射,且能量在Ag膜里有所衰减,只有少部分能量可以穿透Ag 膜.

图5 超薄Ag 膜484 nm 处xz 截面的归一化电场图Fig.5.Normalized electric field diagram of xz section at 484 nm of ultra-thin Ag film.

在超薄Ag 膜的上下涂覆Si3N4薄膜作为增透层,Si3N4/Ag/Si3N4三层膜系xz截面的归一化电场分布如图6(a)—(c) 所示.从随机选取的3 个可见光波长分别为380,470,560 nm 处的电场分布来看,有较高的电磁波能量透过下层Si3N4,三层膜系在可见光范围内没有发生谐振,除了材料固有的本征吸收外,不会产生额外的吸收,所以可见光可以尽可能地透过三层膜系,展现出可见光高透过的效果.在1550 nm 波长下,三层膜系xz截面的归一化电场分布如图6(d)所示,可以看到没有添加顶层微纳结构金属的情况下,三层膜系依然不产生谐振,但是电磁波无法透过膜系,这是因为随着波长的增大,材料的折射率发生变化,导致三层膜系与自由空间阻抗失配,绝大部分的能量被反射回去,因此电磁波既无法透过膜系也不会被吸收.

图6 Si3N4/Ag/Si3N4 三层膜系xz 截面的归一化电场图 (a) 380 nm 处xz 截面的归一化电场图;(b) 470 nm 处xz 截面的归一化电场图;(c) 560 nm 处xz 截面的归一化电场图;(d) 1550 nm 处xz 截面的归一化电场图Fig.6.Normalized electric field diagram of xz section of Si3N4/Ag/Si3N4 three-layer films: (a) Normalized electric field diagram of xz section at 380 nm;(b) normalized electric field diagram of xz section at 470 nm;(c) normalized electric field diagram of xz section at 560 nm;(d) normalized electric field diagram of xz section at 1550 nm.

当1550 nm 电磁波作用于超表面减反射膜时,其在xy截面和xz截面的电磁场分布如图7 所示.从图7 可以看出在顶层图案的四周出现了电场增强现象,顶层金属与中间层金属的电位移矢量相反,因此在介质层中产生了强烈的磁谐振,磁场被局限在顶层图案下方的介质区域内,观察电磁场的分布可知在顶层金属周边激发了局域型表面等离激元谐振,电磁波能量被吸收,最后耦合的电磁波能量通过欧姆损耗的方式转化为热能.

图7 1550 nm 处的电磁场分布 (a) 1550 nm 处xy 截面电场图;(b) 1550 nm 处xy 截面磁场图;(c) 1550 nm 处xz 截面电场图;(d) 1550 nm处xz 截面磁场图Fig.7.Electromagnetic field distribution at 1550 nm: (a) Electric field diagram of xy section at 1550 nm;(b) magnetic field diagram of xy cross section at 1550 nm;(c) electric field diagram of xz section at 1550 nm;(d) magnetic field diagram of xz cross section at 1550 nm.

4 讨论

从图3(a)发现,超表面减反射膜在700 nm 后的透射效果有所下降,通过观察700 nm 处的电磁场分布来探究其原因.如图8 所示,当入射电磁波穿透上层金属和介质到达中间层金属时,会在中间层金属与介质的交界面上激发出传播型表面等离子激元极化波.中间层金属具有一定的反射作用,上层介质与中间层金属的交界面和上层介质与顶层金属交界面之间的表面等离激元极化波发生相消干涉,激发了F-P 腔模式共振.磁场能量不仅局限在顶层金属下方的介质区域内,而且在单元结构之间也有增强,这是传播型等离激元模式和FP 腔共振模式的结合,从而在700 nm 后产生小幅度的吸收导致透射效果下降.

图8 700 nm 处xz 截面的电磁场分布 (a) 700 nm 处xz 截面电场图;(b) 700 nm 处xz 截面磁场图Fig.8.Electromagnetic field distribution at 700 nm: (a) Electric field diagram of xz section at 700 nm;(b) magnetic field diagram of xz cross section at 700 nm.

探究不同入射角度对超表面减反射膜性能的影响,如图9 所示,可见光透过率和1550 nm 处的吸收率几乎不会受到入射角度变化的影响,虽然在入射角度大于35°时,长波可见光的透过率有所下降,透射窗口稍窄,但下降幅度不大,基本不会影响整体性能,表明所设计器件具有良好的角度不敏感特性.

图9 不同入射角度对性能的影响 (a) 不同入射角度对380—780 nm 透过率的影响;(b) 不同入射角度对1550 nm 吸收率的影响Fig.9.Effects of different incident angle on properties: (a) Effect of different incident angle on transmittance of 380−780 nm;(b) effect of different incident angle on absorptivity of 1550 nm.

上述基础结构对入射光极化角度具有敏感性,在实际应用中存在一定的局限性,因此需对结构进行改进.将长方形金属阵列替换为中心对称十字交叉型金属阵列,以获得偏振不敏感特性.使用同样的设计方法优化结构的几何参数,结构模型和结果如图10 所示,P=350 nm,t1=43 nm,t2=13 nm,t3=56 nm 以及l=181 nm,w=51 nm,t4=10 nm.

偏振不敏感结构的可见光平均透过率为82%,相比于长方形阵列结构有所下降,这是因为十字交叉型金属阵列的占空比为13%,略大于基础结构的占空比.在1550 nm 处存在84%的吸收峰,反射率5%.从图10(b),(c)可以看到,改进后的十字交叉型阵列依然可以保持较高的可见光透过率,并且在近红外激光波长上存在更大的吸收峰,激光的回波强度进一步减小.入射光极化角度对该结构的影响如图11 所示,可见光透过率和激光波长的吸收率几乎不会发生变化,由于结构的对称性,该设计获得了良好的偏振不敏感特性.

探究MgF2,SiO2,Si3N4,SiC,TiO2材料作为增透层对超表面减反射膜性能的影响,这些材料都是在可见光波段内几乎无损耗的电介质材料,且折射率依次增大.从图12(a) 可以看出,折射率小于Si3N4的电介质材料作为增透层会导致可见光波段的透射窗口向短波方向移动且平均透过率明显降低,折射率大于Si3N4的电介质材料作为增透层会导致可见光波段的透射窗口向长波方向移动.从图12(b)可以看出,折射率小于Si3N4的电介质材料作为增透层会导致近红外吸收峰蓝移;折射率大于Si3N4的电介质材料作为增透层会导致近红外吸收峰红移.根据图12 的结果,选取Si3N4作为增透层可以使得超表面减反射膜与自由空间的自由电子达成阻抗匹配,所以透射性能最佳,且在1550 nm处的吸收率最高.

单独变换底层电介质材料对性能的影响如图13示,选取SiO2和SiC 作为底层电介质材料时,在近红外波段的吸收性能与Si3N4相差无几,但是在可见光波段的平均透过率显著下降,影响观测效果.选取MgF2和TiO2时,平均透过率下降且吸收峰红移,1550 nm 处的吸收率显著降低,达不到目标隐身要求.

图13 不同底层电介质材料对性能的影响 (a)不同底层电介质材料对380—780 nm 透过率的影响;(b)不同底层电介质材料对1550 nm 吸收率的影响Fig.13.Effects of different bottom dielectric materials on properties: (a) Effect of different bottom dielectric materials on transmittance of 380−780 nm;(b) effect of different bottom dielectric materials on transmittance of 1550 nm.

可以看出单独变换某一层或同时变换上下两层电介质材料会导致整个超表面减反射膜的等效阻抗与自由空间的阻抗失配,表现为透过性能明显降低.在近红外波段起吸收作用的是由中间金属Ag 层、上层Si3N4以及顶层微纳结构金属Ag 阵列组成的谐振吸收器,仅变换底层电介质材料对该吸收器的影响不大,但同时变换上层电介质材料时,介电常数的改变会影响等离激元共振及F-P 腔模式共振所处波长.

研究介质层厚度t1和中间金属层厚度t2对超表面减反射膜性能的影响.从图14(a),(b)可以看出,随着t1增大,可见光波段的透射效果得到明显提升,当t1增大到50 nm 之后,可见光透射效果显著下降,且透射窗口有红移趋势.在近红外波段,t1在20 nm 厚度以下几乎不会产生吸收,在20—50 nm 之间吸收峰随着t1增大而蓝移且强度增大,在50 nm 之后超表面减反射膜在1550 nm 目标波长上的吸收率大幅度降低.从图14(c),(d)可以看出,中间金属层厚度t2对可见光透射效果的影响较大,透射率随着t2的增大而降低,在近红外的吸收峰因为t2的增大而蓝移.

图14 介质层厚度t1 和金属层厚度t2 对性能的影响 (a) t1 对380—780 nm 透过率的影响;(b) t1 对1550 nm 吸收率的影响;(c) t2对380—780 nm 透过率的影响;(d) t2 对1550 nm 吸收率的影响Fig.14.Effect of medium layer thickness t1 and metal layer thickness t2 on properties: (a) Effect of t1 on transmittance of 380−780 nm;(b) effect of t1 on absorption rate of 1550 nm;(c) effect of t2 on transmittance of 380−780 nm;(d) effect of t2 on absorption rate of 1550 nm.

研究顶层微纳结构金属Ag 的长l和宽w对超表面减反射膜性能的影响.从图15(a),(c)可以看出,长方形Ag 块的长度l和宽度w增大会导致超表面减反射膜在可见光波段的平均透过率呈下降趋势.从图15(b),(d)可以看出,吸收峰随着l的增大而红移且强度变化不大,随着w增至150 nm,吸收峰蓝移且强度增大,w增大超过150 nm 后吸收峰强度降低并有红移趋势.由图14 和图15 可知,同时兼顾可见光波段和近红外目标波长上的高透射和低反射高吸收的性能需要各部分参数的相互配合,遗传算法在设计超表面减反射膜当中起到重要作用,比扫描参数的传统方法更有指向性地朝着最优参数组合方向优化,大大降低了时间成本.

图15 图案微纳结构的长l 和宽w 对性能的影响 (a) l 对380—780 nm 透过率的影响;(b) l 对1550 nm 吸收率的影响;(c) w 对380—780 nm 透过率的影响;(d) w 对1550 nm 吸收率的影响Fig.15.Effects of length l and width w on performance of patterned micro-nano structures: (a) Effect of l on transmittance of 380−780 nm;(b) effect of l on absorption rate of 1550 nm;(c) effect of w on transmittance of 380−780 nm;(d) effect of w on absorption rate of 1550 nm.

5 结论

本文结合D/M/D 多层膜系特性加入图案化微纳结构金属,利用遗传算法设计了超表面减反射膜,其从功能上可以分为两部分: 第一部分由下层Si3N4、中间层金属Ag 以及上层Si3N4组成的与自由空间阻抗相匹配的减反增透薄膜;第二部分是由中间层金属Ag、上层Si3N4以及顶层微纳结构Ag 阵列组成的谐振吸收器,激发出局域型等离激元引起近红外吸收.在一个周期中,顶层微纳结构金属的占空比仅为8.4%,可以在1550 nm 处产生吸收峰来实现抗反射效果的同时,不影响可见光电磁波的透过性能.本文所设计的超表面减反射膜总厚度仅为110 nm,具有质轻且薄的特点,所选取的材料丰富可得,性能稳定,结构设计简单而易于制备.本文将遗传算法应用到结构的逆向设计上,对结构参数进行优化,数值模拟仿真的结果表明,该超表面减反射膜在380—780 nm 的平均透过率为88%,最大透过峰值可达94%;在1550 nm 处的反射率仅为10%,同时吸收率可达80%.为了更切合实际应用场景的需求,对结构进行改进,设计了十字交叉型金属阵列,获得偏振不敏感特性.改进结构组成的超表面减反射膜可实现可见光平均透过率82%,1550 nm 处反射率5%的效果.与普通的减反增透薄膜相比,两种超表面减反射膜可以在不影响成像质量即可见光高透过的情况下,实现对特定波长的激光隐身的效果;与无透过的窄带吸波器相比,超表面减反射膜不仅实现了近红外激光波长的高吸收效果,还可以保证可见光高透过的性能.除此之外,通过调整顶层金属的几何参数,可以选择性地在特定激光波长上实现低反射高吸收的目标,这表明本文所提出的超表面减反射膜具有灵活可调节的特点,通过调节单一结构的几何参数就可以实现目标波长上的低反射高吸收效果,这为军事上反猫眼探测策略提供了一种方案.

感谢国防科技大学杨俊波教授与广西大学张振荣教授以及其他作者的讨论.