ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERINO dstail/33.1331.TJ.20171I02.I548.012html D01:10.14024折.cnki.1004-244x20171102.00 一维光子晶体兼容隐身材料研究进展 林伟丽'，邱桂花，于名讯2，牛玉超，张瑞蓉，韩建龙2，张煜曼 (1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101：2.中国兵器T业集团第五三研究所，山东济南250031) 摘要光子品体是一种新型的人工结构材料，具有光子禁带和光子局域两个独特的特性，其处于光子禁带内的电磁波 电燕波则会透过光子品体。 兼容隐身材 料提供新的设计思路。分析一维光子品体在多被段兼容隐身领域的优势，并且介绍光子品体在多波段红外隐身材料、波 光红外兼容隐身材料、需达灯外隐身兼容材料、可见光灯外兼容隐身材料等方而的研究进展。 关键词一维光子品体：兼容隐身材料：光子禁带：光子局域 中图分类号TJ765.5 文献标志码A 文章编号1004-244X(2017)06-0114-05 Research progress in compatible stealth materials of one-dimensional photonic crystal LIN Weili'.OIU Guihua'.YU Mingxun'.NIU Yuchao'.ZHANG Ruirong',HAN Jianlong'.ZHANG Yuman (1.School of Materials Science and Engineering.Shandong Jianzhu University.Ji'nan 250101.China: 2.China North Industries Group Corporation Institute 53.Jli'nan 250031.China) cha andgap ar rystal in multi-hand stals in multi-band infrared stealth uinfrared compatible rials.radarlinfrare atible stealth natible stealth bandean-notan localizatio 随着雷达、激光、红外、可见光等先进探测技术日 隐身与红外隐身无法兼容、红外隐身和雷达隐身性能 益完善，武器装各处于战场中可能同时需要躲雕多利 相互制约等。仅通过材料特性达到隐身功能的传统涂 探测仪器的侦察，这就对隐身材料提出更高的要求：从 料类隐身材料很难解决上述几个问题。 单一波段隐身向多波段全方位隐身方向发展。因此 1987年.Yablongvitch]和ohnu分别提出了光子 多波段隐身兼容是目前隐身技术研究应用的重点 品体概念，假设光子也有像电子在普通品体中一样的 、德等国在 多波段隐身材料研制方面取得 当光波受 到周期性介质 构调制 .也会 大进展，其研 制的隐身涂料能使目标被可见光、近 类似光子允带和光子禁带的出现，同样落在光子禁 外远红外和雷达探测器发现的概率降低。德国在 内的光波能量无法在品体内传输。基于这一假设 半导体兼容隐身材料的研制成功实现了可见光执红 对光子品体的研究迅速兴起。光子品体的出现也为解 外微波毫米波的多波段兼容回。加拿大国防部发明 决上述兼容隐身的问题提供了新思路。 了一种装置或材料可以在可见光.红外和雷达三波段 实现兼容隐身1 7 光子晶体基本特性 我国在多波段隐身材料 研究 步稍晚，通 光子晶体自诞生以来 一直是各个国家研究人员 一波段隐身材料 的合理组合，武器装名 用 研究的热片 光于体也被称为 隐身涂料隐身篷布、隐身网，隐身复合材料 隙材料 具有不同折射率的介质材料在空间周期性排列的 已初步解决了可见光红外雷达兼容隐身，但是仍然 人工微结构。根据构成光子品体材料的周期性变化不 存在一些问题：红外隐身材料的红外发射率较高、微光 同，可将其分为一维、二维和三维光子品体。 收稿日明：2017-06-29：修回日期：2017-09-06 作者简介：林伟，女，士究生：主要从事,06m意光低反射多层膜的研究。-mil:hulw@163m 通信作者：于名讯.男，博士，研究员：研究方向为隐身材料和技术。E-mil:toqu@163com 94-018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.net
随着雷达、激光、红外、可见光等先进探测技术日 益完善，武器装备处于战场中可能同时需要躲避多种 探测仪器的侦察，这就对隐身材料提出更高的要求：从 单一波段隐身向多波段、全方位隐身方向发展。因此， 多波段隐身兼容是目前隐身技术研究应用的重点。 美、德等国在多波段隐身材料研制方面取得了很 大进展，其研制的隐身涂料能使目标被可见光、近红 外、远红外和雷达探测器发现的概率降低［1］ 。德国在 半导体兼容隐身材料的研制成功实现了可见光/热红 外/微波/毫米波的多波段兼容［2］ 。加拿大国防部发明 了一种装置或材料，可以在可见光、红外和雷达三波段 实现兼容隐身［3-5］ 。 我国在多波段隐身材料的研究起步稍晚，通过多 种单一波段隐身材料的合理组合，武器装备上应用的 隐身涂料［6］ 、隐身篷布［7］ 、隐身网［8］ 、隐身复合材料［9］ 等 已初步解决了可见光/红外/雷达兼容隐身，但是仍然 存在一些问题：红外隐身材料的红外发射率较高、激光 隐身与红外隐身无法兼容、红外隐身和雷达隐身性能 相互制约等。仅通过材料特性达到隐身功能的传统涂 料类隐身材料很难解决上述几个问题。 1987年，Yablonovitch［10］ 和John［11］ 分别提出了光子 晶体概念，假设光子也有像电子在普通晶体中一样的 传输规律，当光波受到周期性介质结构调制时，也会有 类似光子允带和光子禁带的出现，同样落在光子禁带 内的光波能量无法在晶体内传输［12］ 。基于这一假设， 对光子晶体的研究迅速兴起。光子晶体的出现也为解 决上述兼容隐身的问题提供了新思路。 1 光子晶体基本特性 光子晶体自诞生以来，一直是各个国家研究人员 研究的热点。光子晶体也被称为光子带隙材料［13］ ，是 具有不同折射率的介质材料在空间周期性排列的一种 人工微结构。根据构成光子晶体材料的周期性变化不 同，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。 一维光子晶体兼容隐身材料研究进展 林伟丽1 ，邱桂花2 ，于名讯1，2 ，牛玉超1 ，张瑞蓉2 ，韩建龙2 ，张煜曼2 （1.山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101；2.中国兵器工业集团 第五三研究所，山东 济南 250031） 摘 要 光子晶体是一种新型的人工结构材料，具有光子禁带和光子局域两个独特的特性，其处于光子禁带内的电磁波 被禁止传播呈现出高反射，与光子局域频率相对应的电磁波则会透过光子晶体。光子晶体的出现为多波段兼容隐身材 料提供新的设计思路。分析一维光子晶体在多波段兼容隐身领域的优势，并且介绍光子晶体在多波段红外隐身材料、激 光/红外兼容隐身材料、雷达/红外隐身兼容材料、可见光/红外兼容隐身材料等方面的研究进展。 关键词 一维光子晶体；兼容隐身材料；光子禁带；光子局域 中图分类号 TJ765.5 文献标志码 A 文章编号 1004-244X（2017）06-0114-05 Research progress in compatible stealth materials of one⁃dimensional photonic crystal LIN Weili1 ，QIU Guihua2 ，YU Mingxun1，2 ，NIU Yuchao1 ，ZHANG Ruirong2 ，HAN Jianlong2 ，ZHANG Yuman2 （1.School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji′nan 250101，China； 2.China North Industries Group Corporation Institute 53，Ji′nan 250031，China） Abstract Photonic crystals are a kind of artificial structural material with unique characteristics of photonic bandgap and photonic localization. The electromagnetic wave in the photonic bandgap is prohibited from propagating and shows a high reflection. The electromagnetic wave corresponding to the photon localization frequency will transmit through photonic crystals. The appearance of photonic crystals provides a new design for multi⁃band compatible stealth materials. In this paper，we analyze the advantages of one ⁃ dimensional photonic crystal in multi ⁃ band wave ⁃ compatible stealth field，and introduce the research progress of photonic crystals in multi⁃band infrared stealth materials，laser/infrared compatible stealth materials，radar/infrared stealth compatible materials，visible/infrared compatible stealth materials. Keywords one⁃dimensional photonic crystal；compatible stealth materials；photonic bandgap；photon localization 收稿日期：2017-06-29；修回日期：2017-09-06 作者简介：林伟丽，女，硕士研究生；主要从事1.06 μm激光低反射多层膜的研究。E-mail：shanqiulwl@163.com。 通信作者：于名讯，男，博士，研究员；研究方向为隐身材料和技术。E-mail：tooqiu@163.com。 兵器材料科学与工程 ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING Vol.40 No.6 Nov.， 2017 第40卷 第6期 2017年 11月 网络出版时间：2017/11/2 15:48:55 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/33.1331.TJ.20171102.1548.012.html DOI:10.14024/j.cnki.1004-244x.20171102.006
第6期 林伟雨等：一维光子品体兼容隐身材料研究进展 115 光子品体有两个重要的特性 一个是光子禁带 度反射（图1中灰色区域显示全向反射率频率范围 (或光子带隙)。当光子品体存在北子禁带时，对应 该结构在中远红外波段内均实现了高反射，为后续波 光子禁带颜率范固内的光不能从光子晶体中透过，会 段范围的进一步拓展莫定了基鶸。 被反射回去。合理的设计构成光子品体的材料组成 2008年，赵大鹏等采用碲和聚乙烯材料通过异 有效折射率、品格参数等就可以使制备出的光子品体 质结构方法设计了中、远红外双波段光子品体，在 具有特岸波段的光子禁带。另外一个特性是光子局 (3.45.3)m和(7.9122)Lm两个波段对任意偏机 域s(或And m局域)。假如光子晶体原有的周期 本实了全反射。 通过对材料填充比的改进，将全向 性或对称性结构被引入某种程度的缺 在光 反射的波段拓展为 5.4)um和(8-12 禁带中就会出现某种缺陷态，其颊率极窄，与该率为 同年，刘必婆等选择CdS S0,两种材料设计出 应的光子则会被局域在该缺陷位置。 的光子品体在中、远红外波段具有光子禁带，采用异质 光子品体的结构性能十分容易进行设计和调控 结构方法展宽光子带隙.该结构在(3.145.57)um和 其性能由组成材料和周期结构共同决定，通过改变结 (8.16-13.96)um的光i谱反射率都大于95%，理论上能 构参数可以对其性能讲行调控。利用其结构性能的可 黄足中，元红外双波段推容隐身的要求 设计性和可调控性，改变光子禁带和光子局域的位置 2012年，高永芳等通过构造异质结构光子晶体 和宽度，实现对电磁波传插 来实现光子禁带的展宽，设计出的光子品情 其理论 2光子晶体在兼容隐身中的应用 谱在(2.91-5.12)μm和(7.62-12.29)m波段的反身 率在95%以上，见图2。可见其高反射带完全能够程 在兼容隐身中红外隐身是首先要考虑的。红外隐 盖中、远红外两个波登 身技术主要针对红外大气窗口的隐身，主要通过两种 2014年.Zhang等设计并制备了由Ge和ZnS交 方式降低目标的红外辐射量，一是降低目标表面的发 替沉积成的异质结构光子品体。在(3-5)m和(8- 射率：一是控制目标表而温度。对干(35) B(g 14)m的平均辐射率分别为0.046和0190.在非大气 m中远红外波段，大部分红外隐身材料是通过丝 窗口(5-8》 的平均辐射率为0.579，具有明显的红 )来降低目标的红外线 外低发射率特性并且具有一定的选择性 射能量，材料发射率越低其辐射能量越低。目前，低发 射率涂层材料、控制温度涂层材料及智能隐身材料 50 波长 100200 等红外隐身材料的研究和应用较为广泛。但部分红列 隐身材料不能在中、远红外波段同时具有较好的低发 射率，红外隐身材料主要针对红外隐身很难实现与其 光子品 体光子禁带内的电磁波被禁止传播，可以抑制 射的传插，为实现红外波段的高反射、低辐射特性提科 9500200 0100500 了设计思路。光子晶体中缺陷态的引入，可以将与制 路态频率对应的光子局域在缺路位置，为实现红外与 一维光子品体样品的计算（虚线）和测量（实线）反射； 其他波段的兼容隐身指出了新方向。因此，重点介绍 光子品体在解快上术问题中的且体应用 ectance for 2.1光子晶体应用于红外多波段隐身 1998年 k等设计制各了由聚苯乙烯和暗多 替构造的一维光子品体，该结构材料不同波段的禁 可以通过设计得到，利用一维光子晶体的光子禁带 计了在(10-15)um红外波段的全向反射镜。由于可 0 以设计得到所需波段的禁带，因此可以将其应用到红 03 外隐身领域，但是所覆盖的红外波段范围较窄。 0.035 01131 001年Tee, n等利用一维光子品体的两 个光子禁带设计了红外波段 向反射 ,在(4 图2异质结构光子品体的反射光闲 m和(8~2)m两个波段对任意偏振态实现了全角 Fig2 Reflectan 994018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.hup:/www.enki.ne
第6期 光子晶体有两个重要的特性，一个是光子禁带［14］ （或光子带隙）。当光子晶体存在光子禁带时，对应于 光子禁带频率范围内的光不能从光子晶体中透过，会 被反射回去。合理的设计构成光子晶体的材料组成、 有效折射率、晶格参数等就可以使制备出的光子晶体 具有特定波段的光子禁带。另外一个特性是光子局 域［15］ （或 Anderson 局域）。假如光子晶体原有的周期 性或对称性结构被引入某种程度的缺陷破坏，在光子 禁带中就会出现某种缺陷态，其频率极窄，与该频率对 应的光子则会被局域在该缺陷位置。 光子晶体的结构性能十分容易进行设计和调控， 其性能由组成材料和周期结构共同决定，通过改变结 构参数可以对其性能进行调控。利用其结构性能的可 设计性和可调控性，改变光子禁带和光子局域的位置 和宽度，实现对电磁波传播特性的控制。 2 光子晶体在兼容隐身中的应用 在兼容隐身中红外隐身是首先要考虑的。红外隐 身技术主要针对红外大气窗口的隐身，主要通过两种 方式降低目标的红外辐射量，一是降低目标表面的发 射率；二是控制目标表面温度。对于（3~5）μm和（8~ 14）μm中远红外波段，大部分红外隐身材料是通过红 外低发射率（即红外高反射率）来降低目标的红外线辐 射能量，材料发射率越低其辐射能量越低。目前，低发 射率涂层材料、控制温度涂层材料及智能隐身材料［16］ 等红外隐身材料的研究和应用较为广泛。但部分红外 隐身材料不能在中、远红外波段同时具有较好的低发 射率，红外隐身材料主要针对红外隐身很难实现与其 他波段兼容隐身等问题未能得到很好地解决。光子晶 体光子禁带内的电磁波被禁止传播，可以抑制红外辐 射的传播，为实现红外波段的高反射、低辐射特性提供 了设计思路。光子晶体中缺陷态的引入，可以将与缺 陷态频率对应的光子局域在缺陷位置，为实现红外与 其他波段的兼容隐身指出了新方向。因此，重点介绍 光子晶体在解决上述问题中的具体应用。 2.1 光子晶体应用于红外多波段隐身 1998年，Fink等［17］ 设计制备了由聚苯乙烯和碲交 替构造的一维光子晶体，该结构材料不同波段的禁带 可以通过设计得到，利用一维光子晶体的光子禁带设 计了在（10~15）μm红外波段的全向反射镜。由于可 以设计得到所需波段的禁带，因此可以将其应用到红 外隐身领域，但是所覆盖的红外波段范围较窄。 2001年，Temelkuran等［18］ 利用一维光子晶体的两 个光子禁带设计了红外波段全向反射镜，在（4.5~5.5） μm和（8~12）μm两个波段对任意偏振态实现了全角 度反射（图1中灰色区域显示全向反射率频率范围）。 该结构在中远红外波段内均实现了高反射，为后续波 段范围的进一步拓展奠定了基础。 2008年，赵大鹏等［19］ 采用碲和聚乙烯材料通过异 质结构方法设计了中、远红外双波段光子晶体，在 （3.4~5.3）μm 和（7.9~12.2）μm 两个波段对任意偏振 态实现了全反射。通过对材料填充比的改进，将全向 反射的波段拓展为（3.4~5.4）μm和（8~12.5）μm。 同年，刘必鎏等［20］ 选择CdSe、SiO2两种材料设计出 的光子晶体在中、远红外波段具有光子禁带，采用异质 结构方法展宽光子带隙，该结构在（3.14~5.57）μm和 （8.16~13.96）μm的光谱反射率都大于95%，理论上能 满足中、远红外双波段兼容隐身的要求。 2012年，高永芳等［21］ 通过构造异质结构光子晶体 来实现光子禁带的展宽，设计出的光子晶体其理论光 谱在（2.91~5.12）μm 和（7.62~12.29）μm 波段的反射 率在 95%以上，见图 2。可见其高反射带完全能够覆 盖中、远红外两个波段。 2014年，Zhang 等［22］ 设计并制备了由Ge 和ZnS交 替沉积成的异质结构光子晶体。在（3~5）μm 和（8~ 14）μm的平均辐射率分别为0.046和0.190，在非大气 窗口（5~8）μm 的平均辐射率为 0.579，具有明显的红 外低发射率特性并且具有一定的选择性。 b a c 80° TM 80° TE 正常状态 2 500 2 000 1 500 1 000 500 波数/cm-1 波长/μm 4.0 5.0 6.7 10.0 20.0 100 50 0 100 50 0 100 50 0 反射率/% 图1 一维光子晶体样品的计算（虚线）和测量（实线）反射率 Fig.1 Calculated（dashed curves）and measured（solid curves） reflectance for one⁃dimensional photonic crystal sample 1 3 5 7 9 11 13 15 波长/μm 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 反射率 0.0 图2 异质结构光子晶体的反射光谱 Fig.2 Reflectance spectra of heterostructure photonic crystal 林伟丽等：一维光子晶体兼容隐身材料研究进展 115
116 兵器材料科学与工程 第40卷 可见 维光子品体结构的红外隐身材料利用 106m激光的兼容隐身。光子品体在106m处反 子禁带的物 理特性 实现了超低红外辆射率的优异 乎为0，在 正红外波 反射率接近1，呈现出很 性，通过对光子禁带的调控实现在中，远红外双波段兼 强的“光谱挖孔”效果，如图3所示。 容隐身。光子品体设计的日渐完善及样品的制备均可 2011年，Zhao等1使用PTe和Na alf,通过交替 体现出光子晶体在红外隐身领城应用前景十分广阔。 前膜设计出一维双缺路膜的光子品体。光子品体从 2.2光子品体应用于激光与红外兼容隐身 近红外到远红外波段呈现高反射并且在1.06、10.6m 激光流身技术主要针对丁作波长为106106 两个激光波段高诱过该结构在(15)m及(814) 的探测仪器，要求隐身材料具有很低的反射率。 以m两个被段的反射车衫 且对1.06 波长正好处于红外波段范围内，而且激光隐身要求 10.6um激光的透过率可达96%以 见 该结构 低反射率与红外隐身要求的高反射率（即低辐射率） 基本上覆盖了整个中远红外波段，又可对1.0610. 反，所以激光红外兼容隐身一直是兼容隐身的难题。 m两个波段激光同时实现隐身。不足之处是其仅存 熟的传统激光隐身技术很难解决这 在于设计阶段。 近几年，激光隐身技术向着新型材料、红外/激光 兼容身纳米激光隐身等方向发属。新材料中的 兰子体化合物可以通过接杂控制其载流子浓度：0 改变掺杂半导体化合物等 m附近波长实现高吸收。采用渗杂改性的方法还 以使其红外辐射范围不在红外大气窗口内，实现红 与激光复合隐身持容。通过对各种红外诱朋黏合剂心 2461024 及部分金属额料、半导体额料的研究，已基本上研制出 10.6m微光远红外 隐身的光子品休反射 16m激上与外被卧复合隐身的涂料纳米 料具有很好的吸波特性，在雷达波的吸收方面应 将纳米粉体 立用 纳米隐身涂料的制名 制 的涂层不仅能在宽频范围对雷达波吸收，同时对可 光、红外线以及激光探测常用波段也有很好地吸收实 果.使其具有红外微光兼容隐身作用。但是这此技术 都不尽完善，光子品体的出现能很好地实现激光红外 兼容隐身。光子品休可以利用光子带实红外食 的高反射，利用光子局域实现特定激光波长处的低厅 射，进而达到激光江外容隐身的日的 90613157 2007年，高海潮等将光子晶体概念用于激光 图41.06,10.6μ山m激光灯外装容隐身的一维光子品体反射光谱图 Fig.4 Reflection spectrum of 1.06.10.6 um laser/infrared cmpatible 红外的兼容隐身，用 维杂光子晶品体实现光谱 孔。通过调控光子品体的周期数、介质层厚度，擦杂层 stealth one-dimensional photonic crysta 位置和厚度，提出了利用一维惨杂光子晶体实现“光谱 2015年.Miao等制备了含缺陷层Si的TefZns 挖孔”的激光与红外兼容隐身方法。 维光子晶体。在10.6m处反射率为0.28：(3-5)、 000年刘以签1设计了是7。的C区 (5-8).(8-14)m的平均射率分别为0.0845.0.4500 S0,光子品体，采用特征矩阵法计算薄膜的反射、透 0.2810 和吸收光谱。10.6m处光谱吸收率为0.946，(8-14) 16年，张继魁等1为实现飞行器高温部分的红 m的其他范围光谱反射率大于95%。通过光子禁带 外与微光兼容隐身，选用T和MgF,设计出近中红外与 的叠加，实现了1.06μm激光和(8-~14)um热红外隐身 106、1.54m激光兼容隐身的一维光子品体。(181 的兼容.1.06m的光谱吸收率为0.9477。可见.参杂 2.47)m反射率大于95.07%.(2.475.00)um反射率 光子品体能够实现红外隐身与1.06um或10.6um微 为1：106154m外的反射率分别为121和179.开 光隐身兼容 两个明显的低反射 0104 三，高永芳等通过“光谱挖孔”的方法设计 2016年，Wang等 通过电子束真空蒸镀工艺沉 出 一维摻杂光子品体，该光子品体可实现远红外和 积Ge、nSe组成的一维光子品体，并利用Si替代某 018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.hup:/www.enki.e
兵器材料科学与工程 第40卷 可见，一维光子晶体结构的红外隐身材料利用光 子禁带的物理特性，实现了超低红外辐射率的优异特 性，通过对光子禁带的调控实现在中、远红外双波段兼 容隐身。光子晶体设计的日渐完善及样品的制备均可 体现出光子晶体在红外隐身领域应用前景十分广阔。 2.2 光子晶体应用于激光与红外兼容隐身 激光隐身技术主要针对工作波长为1.06、10.6 μm 的探测仪器，要求隐身材料具有很低的反射率。激光 波长正好处于红外波段范围内，而且激光隐身要求的 低反射率与红外隐身要求的高反射率（即低辐射率）相 反，所以激光/红外兼容隐身一直是兼容隐身的难题。 成熟的传统激光隐身技术很难解决这一问题。 近几年，激光隐身技术向着新型材料、红外/激光 兼容隐身、纳米激光隐身等方向发展。新型材料中的 半导体化合物可以通过掺杂控制其载流子浓度，进而 改变掺杂半导体化合物等离子波长，使其可以对1.06 μm附近波长实现高吸收。采用掺杂改性的方法还可 以使其红外辐射范围不在红外大气窗口内，实现红外 与激光复合隐身兼容。通过对各种红外透明黏合剂以 及部分金属颜料、半导体颜料的研究，已基本上研制出 1.06 μm激光与远红外波段复合隐身的涂料。纳米材 料具有很好的吸波特性，在雷达波的吸收方面应用较 广泛。将纳米粉体应用于纳米隐身涂料的制备，制得 的涂层不仅能在宽频范围对雷达波吸收，同时对可见 光、红外线以及激光探测常用波段也有很好地吸收效 果，使其具有红外/激光兼容隐身作用。但是这些技术 都不尽完善，光子晶体的出现能很好地实现激光/红外 兼容隐身。光子晶体可以利用光子禁带实现红外波段 的高反射，利用光子局域实现特定激光波长处的低反 射，进而达到激光/红外兼容隐身的目的。 2007年，高海潮等［23］ 将光子晶体概念用于激光与 红外的兼容隐身，用一维掺杂光子晶体实现光谱挖 孔。通过调控光子晶体的周期数、介质层厚度，掺杂层 位置和厚度，提出了利用一维掺杂光子晶体实现“光谱 挖孔”的激光与红外兼容隐身方法。 2009 年，刘必鎏等［24］设计了掺杂 ZnSe 的 CdSe/ SiO2光子晶体，采用特征矩阵法计算薄膜的反射、透射 和吸收光谱。10.6 μm处光谱吸收率为0.946，（8~14） μm的其他范围光谱反射率大于95%。通过光子禁带 的叠加，实现了1.06 μm激光和（8~14）μm热红外隐身 的兼容，1.06 μm的光谱吸收率为0.947 7。可见，掺杂 光子晶体能够实现红外隐身与1.06 μm或10.6 μm 激 光隐身兼容。 2010年，高永芳等［25］ 通过“光谱挖孔”的方法设计 出一维掺杂光子晶体，该光子晶体可实现远红外和 10.6 μm 激光的兼容隐身。光子晶体在 10.6 μm 处反 射率几乎为0，在远红外波段反射率接近1，呈现出很 强的“光谱挖孔”效果，如图3所示。 2011 年，Zhao 等［26］ 使用 PbTe 和 Na3AlF6通过交替 镀膜设计出一维双缺陷膜的光子晶体。光子晶体从 近红外到远红外波段呈现高反射并且在1.06、10.6 μm 两个激光波段高透过，该结构在（1~5）μm 及（8~14） μm 两个波段的反射率可达 99%以上，并且对 1.06、 10.6 μm激光的透过率可达96%以上，见图4。该结构 基本上覆盖了整个中远红外波段，又可对 1.06、10.6 μm两个波段激光同时实现隐身。不足之处是其仅存 在于设计阶段。 2015 年，Miao 等［27］ 制备了含缺陷层 Si 的 Te/ZnSe 一维光子晶体。在 10.6 μm 处反射率为 0.28；（3~5）、 （5~8）、（8~14）μm的平均辐射率分别为0.084 5、0.450 0、 0.281 0。 2016年，张继魁等［28］ 为实现飞行器高温部分的红 外与激光兼容隐身，选用Te和MgF2设计出近中红外与 1.06、1.54 μm 激光兼容隐身的一维光子晶体。（1.81~ 2.47）μm反射率大于95.07%，（2.47~5.00）μm反射率 为 1；1.06、1.54 μm 处的反射率分别为 1.21 和 1.79，形 成了两个明显的低反射谷。 2016 年，Wang 等［29］ 通过电子束真空蒸镀工艺沉 积Ge、ZnSe组成的一维光子晶体，并利用Si替代某一 2 4 6 8 10 12 14 波长/μm 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 反射率 图3 10.6 μm激光/远红外兼容隐身的光子晶体反射特性 Fig.3 Reflection characteristics of 10.6 μm laser/far infrared compatible stealth photonic crystal 0 1.06 3 5 7 910.6 13 15 17 19 波长/μm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 反射率/% 图 4 1.06、10.6 μm激光/红外兼容隐身的一维光子晶体反射光谱图 Fig.4 Reflection spectrum of 1.06，10.6 μm laser/infrared cmpatible stealth one⁃dimensional photonic crysta 116
第6期 林伟丽等：一维光子品体兼容隐身材料研究进展 11万 层Ge来引入缺陷层，在(814)μm远红外波段实现 反射率，在10.6um处对C0,激光器具有高吸收。实验 结果显示（图5）.除了在10.6m的波长处测量值高于 计算值之外有着显著的一致性 从实验制备的结果与设计的光谱曲线可见，光子 品体完全可以实现激光与红外兼容隐身，而且还有很 12 大的发展空间。 波长un s b 率：H 图6Ge么s光子品体的红外反射性能和(2-18)G出雷达波 长上 段透过性能 图51DC在(8-14)m(垂直入射)中的测量（实曲线） Fig.6 Infrared reflectance of Ge/ZnS photonic crystals and 和计算（虚曲线）反射光谱 transmittance in (2-18)GHz radar band Fig5 Measured (solid curve)and calculated (dashrd curve) 见光隐身主要通过多色迷彩图案实现。 2016年，Q:等首次开展了红外和可见光兼容隐 2.3光子晶体应用于雷达与红外兼容隐身 身的 -S 维光子品体的理论和实验研究。 雷达隐身材料要求的低反射 高吸收率与红 的光子晶体在(3-5)um红身 波段平均反射率 隐身材料要求的高反射率（低辐射率）、低吸收率相 95.1%,平均发射率为0.054，满足了中红外隐身的 反[m。早在上世纪80年代，国外利用挎杂氧化物半导 求。利用薄膜等倾角干涉理论设计不同颜色的光子品 体材料实现了雷达红外的复合隐身。近几年，国内也 体，河过改变表面层的厚度，在制各的光子品体上实现 对其展开研究.同时还对一些包覆金属粉末的复合粒 了卡其色、棕色、深蓝色和青色4种颜色，为红外可见 子结构讲行研究提出了多层膜结构的复合隐身材 兼容隐身提供了一个可行的技术途径 但是含金属粉体和半导体材料的红外隐身涂料 雷达波段具有 定的反射率 ,覆 于雷达隐身材料老 3 结语 面时，影响雷达隐身材料的雷达吸波性能，红外宙达 光子晶体在实现红外多波段的超低发射率，激光 的完全兼容一直难以实现由介质材料组成的光子品 红外兼容隐身、红外需达兼容隐身方面有巨大的 体能很好地解决需大红外兼容隐身的难题 势。利用光子禁带可以抑制红外线的传播，实现红外 2014年.Wang等1提出了由GZnS介质层交档 隐身：通过改恋构成光子品体的材料种类膜的周期后 组成的4个是质结构的光子品体(CC).每个异质结 数，膜层的厚度可以在不同波段呈现不同的反射辐射 构的介质层厚度不同，该光子晶体在(3-5) 14)m的反射率大于90% 如图6a所示 建多异质 ,可以实现红外 氏辐射特性 清构与微波吸收材料(RAM)组合在一起能够实现对 利用光子禁带与光子局域的协同作用可以实现激光 雷达波的吸收。在(2-18)GHz的整个雷达波内，测试 红外兼容隐身。光子品体在具有红外低伍射特性的同 样品和单纯玻璃的透射率儿乎相同，如图6品所示。可 时与微波吸收材料结合可实现雷达波段的高透过，还 见组合后的结构在宙达波段具有很高的透过率，完全 可以实现可见光波段的不同光谱特性，满足与雷达胞 可而玉大可外的指空哈自 身的容和可见光隐身的兼容 2.4光子品体应用于可见光与红外兼容隐身 光子晶体隐身材料的研究时间很短，目前的研究 可见光和近红外隐身材 应尽可能 仅关 支谱特征 背景特征 武器装备的背景有深绿色和浅绿日 在装备上的应用还有很长 段路要 走。 但是 林地、黄色沙漠、褐色土壤、白色雪地、蓝色海洋等，不 品体因具有结构性能的可设计性、可调控性的优另 同背景之间颜色不同，光谱特征也完全不同，日前的可 特性，必将在隐身材料领域占据一定的位置。 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publsning House .All rights reserved. http://www.cnki.ne
第6期 层Ge来引入缺陷层，在（8~14）μm远红外波段实现高 反射率，在10.6 μm处对CO2激光器具有高吸收。实验 结果显示（图5），除了在10.6 μm的波长处测量值高于 计算值之外有着显著的一致性。 从实验制备的结果与设计的光谱曲线可见，光子 晶体完全可以实现激光与红外兼容隐身，而且还有很 大的发展空间。 2.3 光子晶体应用于雷达与红外兼容隐身 雷达隐身材料要求的低反射率、高吸收率与红外 隐身材料要求的高反射率（低辐射率）、低吸收率相 反［30］ 。早在上世纪80年代，国外利用掺杂氧化物半导 体材料实现了雷达/红外的复合隐身。近几年，国内也 对其展开研究，同时还对一些包覆金属粉末的复合粒 子结构进行研究，提出了多层膜结构的复合隐身材 料。但是含金属粉体和半导体材料的红外隐身涂料在 雷达波段具有一定的反射率，覆盖于雷达隐身材料表 面时，影响雷达隐身材料的雷达吸波性能，红外/雷达 的完全兼容一直难以实现，由介质材料组成的光子晶 体能很好地解决雷达/红外兼容隐身的难题。 2014 年，Wang 等［31］ 提出了由 Ge/ZnS 介质层交替 组成的 4 个异质结构的光子晶体（CPC），每个异质结 构的介质层厚度不同，该光子晶体在（3~5）μm及（8~ 14）μm 的反射率大于 90％，如图 6a 所示。另外将该 结构与微波吸收材料（RAM）组合在一起能够实现对 雷达波的吸收。在（2~18）GHz的整个雷达波内，测试 样品和单纯玻璃的透射率几乎相同，如图6b所示。可 见组合后的结构在雷达波段具有很高的透过率，完全 可以实现雷达和红外的兼容隐身。 2.4 光子晶体应用于可见光与红外兼容隐身 可见光和近红外隐身材料的光谱特性应尽可能与 背景特征一致［32］ 。武器装备的背景有深绿色和浅绿色 林地、黄色沙漠、褐色土壤、白色雪地、蓝色海洋等，不 同背景之间颜色不同，光谱特征也完全不同，目前的可 见光隐身主要通过多色迷彩图案实现。 2016年，Qi等［33］ 首次开展了红外和可见光兼容隐 身的 Ge/ZnS 一维光子晶体的理论和实验研究。制备 的光子晶体在（3~5）μm 红外波段平均反射率为 95.1%，平均发射率为 0.054，满足了中红外隐身的要 求。利用薄膜等倾角干涉理论设计不同颜色的光子晶 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，为红外/可见 兼容隐身提供了一个可行的技术途径。 3 结 语 光子晶体在实现红外多波段的超低发射率、激光/ 红外兼容隐身、红外/雷达兼容隐身方面有巨大的优 势。利用光子禁带可以抑制红外线的传播，实现红外 隐身；通过改变构成光子晶体的材料种类、膜的周期层 数、膜层的厚度可以在不同波段呈现不同的反射、辐射 特性；将两种或两种以上不同周期结构的光子晶体构 建多异质结构，可以实现红外多波段的低辐射特性。 利用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。光子晶体在具有红外低辐射特性的同 时与微波吸收材料结合可实现雷达波段的高透过，还 可以实现可见光波段的不同光谱特性，满足与雷达隐 身的兼容和可见光隐身的兼容。 光子晶体隐身材料的研究时间很短，目前的研究 仅关注于材料波谱特征的实现，尚未关注材料的应用 性能，在装备上的应用还有很长一段路要走。但是，光 子晶体因具有结构性能的可设计性、可调控性的优异 特性，必将在隐身材料领域占据一定的位置。 5 10 15 20 波长/μm 反射率/% 20 0 40 60 80 100 模拟 实验 图5 1DPC在（8~14）μm（垂直入射）中的测量（实曲线） 和计算（虚曲线）反射光谱 Fig.5 Measured（solid curve）and calculated（dashed curve） reflectivity spectra of 1DPC in（8⁃14）μm（normal incidence） 0 -1 -2 -3 -4 -5 4 8 12 16 频率/GHz 透过率/dB Ge/ZnS+玻璃 玻璃 b 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3 6 9 12 15 波长/μm 反射率 模拟 实验 a 图6 Ge/ZnS光子晶体的红外反射性能和（2~18）GHz雷达波 段透过性能 Fig.6 Infrared reflectance of Ge/ZnS photonic crystals and transmittance in（2⁃18）GHz radar band 林伟丽等：一维光子晶体兼容隐身材料研究进展 117
18 兵悬材料科学与工程 第40卷 镜的设计[J].激光与红外，2008,38(5)：454-457. 4参考文献 [20]刘必婆，时家明，赵大鹏，等.一种基于光子晶体的红外伪 [1]张建民，孙健.国外隐身技术的应用与发展分析心].舰船电 装材料[J】.红外技术，2008,30(9)：512-515. [21]高永芳，时家明赵大鹏，等.一种基于光子晶体的远红外 子工得.2012.32(4)：18-21 [2]孙敏，于名讯.隐身材料技术[M].北京：国防工业出版社， 与10.6um激光兼容伪装材料的设计与制备[J】,光学学 2013.208. 报，2011,31(6)：155-158. [3]DUMAS J.Independent temperature and apparent color con- [22]ZHANG Weigang.XU Guoyue.ZHANG Jianchao,et al.Infra- trol technology for adaptive camouflage:USP.7215275 [P]. red spectrally selective low emissivity from one-di- 2007-05-08. mensional heterostructure photonic crystal[.Optical Materi- ls.2014.37.343-346. [4]BUCKLEY R W.Camouflage material:EP.1033550 [P] [23]高海潮，戴松涛.一种新型红外低日目标特征材料[J】.光谱 2000-09-06. 学与光普分析，2007.27(4).671-674 [5]范夕弹，窦建芝，李静，等.国外军用新型吸波材料专利技 术研究进展[J】.功能材料，2012,43（增刊Ⅱ）：165-172. [24]刘必婆，时家明，赵大鹏.光子晶体隐身应用分析]激 [6]李永波，朱洪立，张宝芹，等.隐身涂料研究现状及发展趋 光与红外，2009,39(1)：42-45. 势[J】.材料导报，2015,29(26)：358-356. [25]高永芳，时家明，赵大鹏.一维摻杂光子品体用于远红外 [7]杨仕成.新型隐身篷布的开发[].研究开发，2015(3)：29 与激光兼容隐身分析[J].红外技术，2010,32(4)：235- 238. 31. [8]田乃林.红外隐身方法与材料的发展[J].化工进展，2002， [26]ZHAO Xuanke,ZHAO Qingwu,WANG Lianfen.Laser and 21(4):283-286. infrared compatible stealth from near to far infrared bands by [9]邢丽英，刘俊能.隐身复合材料的研究与发展].航空制造 doped photonie crystal[Procedia Engineering,2011,15: 1668-1672. 工程.1995,12：3-8. [10]YABLONOVITCH E.Inhibited spontaneous emission in solid [27]MIAO Lei,SHI Jiaming,WANG Jiachun,et al.Heteroge- -state physics and electronics [J].Physical Review Letters. neous doped one-dimensional photonic crystal with low emis- 1987,58(20):2059-2061 sivity in infrared atmospheric window Optical Engineer [11]JOHN S.Strong localization of photons in certain disordered ing,2016,55(5):057101-1-057101-5. dielectric superlattices[]Physical Review Letters.1987.58 [28]张继魁，时家明，苗雷.近中红外与1.06μm和1.54um激 (23):2486-2489. 光兼容隐身光子晶体研究[U].发光学报，2016,37(9)： [12]陆晓东.光子晶体材料在集成光学和光伏中的应用[M] 1130-1134. 北京：治金工业出版社，2014：1. [29]WANG Qichao,WANG Jiachun,ZHAO Dapeng,et al.Inves- [13]SIEVENPIPER D F.SICKMILLER M E.YABLONOVITCH tigation of terahertz waves propagating through far infrared CO,laser stealth-compatible coating based on one-dimension- E.3D wire mesh photonic crystalsI.Physical Review Let- tes,1996,76(14):2480-2483. al photonic crystal[]]Infrared Physics&Technology,2016: 79:144-150. [14]FINK Y,WINN J N.FAN S,et al.A dielectric omnidirection- al reflector[J].Science.1998.282:1679-1682. [30]哈恩华，黄大庆，王智勇，等.雷达与红外兼容隐身材料的 [15]WIERSMA D S.BARTOLINI P.LAGENDIJK A D,et al.Lo- 研究及进展[].材料导报，2006,20：325-327. calization of light in a disordered medium]Letters to Na [31]WANG Zhixun,CHENG Yongzhi,NIE Yan.et al.Design and tue.1997,390:18-25. realization of onedimensional double hetero-structure photon- [16]叶圣天，刘朝辉，成声月，等.国内外红外隐身材料研究进 ic crystals for infraredradar stealth-compatible materials appli 展[J].激光与红外，2015,45(11)：1285-1291. cations [J].Joumal of Applied Physics,2014.116 (5): [17]FINK Y,THOMAS E L A dielectric omnidirectional reflector 054905. [U].Science.1998,282(5394):1679-1682. [32]张朝阳，程海峰，王茜，等.多波段伪装涂料制备及性能表 [18]TEMELKURAN B.THOMAS E L.JOANNOPOULOS J D.et 征[].新技术新工艺，2005(12)：44-46， al.Low-loss infrared dielectric material system for broadband [33]QI Dong.WANG Xian,CHENG Yongzhi.Design and charac- dual-range omnidireetional reflectivity []Optics Letters. terization of one-dimensional photonie crystals based on ZnS/ 2001.26(17).1370-1372. Ge for infrared-visible compatible stealth applications[J]Op- [19]赵大鹏，时家明，汪家春，等.中长波红外双波段全向反射 tical Materials,2016.62:52-56. 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
兵器材料科学与工程 第40卷 4 参考文献 ［1］张建民，孙健. 国外隐身技术的应用与发展分析［J］. 舰船电 子工程，2012，32（4）：18-21. ［2］孙敏，于名讯. 隐身材料技术［M］. 北京：国防工业出版社， 2013：208. ［3］DUMAS J. Independent temperature and apparent color con⁃ trol technology for adaptive camouflage：USP，7215275［P］. 2007-05-08. ［4］ BUCKLEY R W. Camouflage material：EP，1033550［P］. 2000-09-06. ［5］范夕萍，窦建芝，李静，等. 国外军用新型吸波材料专利技 术研究进展［J］. 功能材料，2012，43（增刊Ⅱ）：165-172. ［6］李永波，朱洪立，张宝芹，等. 隐身涂料研究现状及发展趋 势［J］. 材料导报，2015，29（26）：358-356. ［7］杨仕成. 新型隐身篷布的开发［J］. 研究开发，2015（3）：29- 31. ［8］田乃林. 红外隐身方法与材料的发展［J］. 化工进展，2002， 21（4）：283-286. ［9］邢丽英，刘俊能. 隐身复合材料的研究与发展［J］. 航空制造 工程，1995，12：3-8. ［10］YABLONOVITCH E. Inhibited spontaneous emission in solid ⁃ state physics and electronics［J］. Physical Review Letters， 1987，58（20）：2059-2061. ［11］JOHN S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices［J］. Physical Review Letters，1987，58 （23）：2486-2489. ［12］陆晓东. 光子晶体材料在集成光学和光伏中的应用［M］. 北京：冶金工业出版社，2014：1. ［13］SIEVENPIPER D F，SICKMILLER M E，YABLONOVITCH E. 3D wire mesh photonic crystals［J］. Physical Review Let⁃ ters，1996，76（14）：2480-2483. ［14］FINK Y，WINN J N，FAN S，et al. A dielectric omnidirection⁃ al reflector［J］. Science，1998，282：1679-1682. ［15］WIERSMA D S，BARTOLINI P，LAGENDIJK A D，et al. Lo⁃ calization of light in a disordered medium［J］. Letters to Na⁃ ture，1997，390：18-25. ［16］叶圣天，刘朝辉，成声月，等. 国内外红外隐身材料研究进 展［J］. 激光与红外，2015，45（11）：1285-1291. ［17］FINK Y，THOMAS E L. A dielectric omnidirectional reflector ［J］. Science，1998，282（5394）：1679-1682. ［18］TEMELKURAN B，THOMAS E L，JOANNOPOULOS J D，et al. Low⁃loss infrared dielectric material system for broadband dual ⁃ range omnidirectional reflectivity［J］. Optics Letters， 2001，26（17）：1370-1372. ［19］赵大鹏，时家明，汪家春，等. 中长波红外双波段全向反射 镜的设计［J］. 激光与红外，2008，38（5）：454-457． ［20］刘必鎏，时家明，赵大鹏，等. 一种基于光子晶体的红外伪 装材料［J］. 红外技术，2008，30（9）：512-515. ［21］高永芳，时家明，赵大鹏，等. 一种基于光子晶体的远红外 与 10.6 μm 激光兼容伪装材料的设计与制备［J］. 光学学 报，2011，31（6）：155-158. ［22］ZHANG Weigang，XU Guoyue，ZHANG Jianchao，et al. Infra⁃ red spectrally selective low emissivity from Ge/ZnS one ⁃ di⁃ mensional heterostructure photonic crystal［J］. Optical Materi⁃ als，2014，37：343-346. ［23］高海潮，戴松涛. 一种新型红外低目标特征材料［J］. 光谱 学与光谱分析，2007，27（4）：671-674. ［24］刘必鎏，时家明，赵大鹏. 光子晶体隐身应用分析［J］. 激 光与红外，2009，39（1）：42-45. ［25］高永芳，时家明，赵大鹏. 一维掺杂光子晶体用于远红外 与激光兼容隐身分析［J］. 红外技术，2010，32（4）：235- 238. ［26］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： 1668-1672. ［27］MIAO Lei，SHI Jiaming，WANG Jiachun，et al. Heteroge⁃ neous doped one⁃dimensional photonic crystal with low emis⁃ sivity in infrared atmospheric window［J］. Optical Engineer⁃ ing，2016，55（5）：057101-1-057101-5. ［28］张继魁，时家明，苗雷. 近中红外与1.06 μm和1.54 μm激 光兼容隐身光子晶体研究［J］. 发光学报，2016，37（9）： 1130-1134. ［29］WANG Qichao，WANG Jiachun，ZHAO Dapeng，et al. Inves⁃ tigation of terahertz waves propagating through far infrared/ CO2 laser stealth⁃compatible coating based on one⁃dimension⁃ al photonic crystal［J］. Infrared Physics & Technology，2016： 79：144-150. ［30］哈恩华，黄大庆，王智勇，等. 雷达与红外兼容隐身材料的 研究及进展［J］. 材料导报，2006，20：325-327. ［31］WANG Zhixun，CHENG Yongzhi，NIE Yan，et al. Design and realization of onedimensional double hetero⁃structure photon⁃ ic crystals for infraredradar stealth⁃compatible materials appli⁃ cations［J］. Journal of Applied Physics，2014，116（5）： 054905. ［32］张朝阳，程海峰，王茜，等. 多波段伪装涂料制备及性能表 征［J］. 新技术新工艺，2005（12）：44-46. ［33］QI Dong，WANG Xian，CHENG Yongzhi. Design and charac⁃ terization of one⁃dimensional photonic crystals based on ZnS/ Ge for infrared⁃visible compatible stealth applications［J］. Op⁃ tical Materials，2016，62：52-56. 118