一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构

1.本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构。

背景技术：

2.红外侦察装置用于探测目标物体的红外辐射，利用目标物体高温部分的红外辐射来进行侦察与追踪。夜间环境下的红外侦察识别能力强，在绝对黑暗的环境中仍可探测到目标，具有隐蔽性好、环境适应性强、可全天候作战的特点，广泛应用于军事侦察、红外制导等方面。红外隐身技术要求降低隐身材料的红外辐射率即降低物体表面的发射率，即要求隐身材料在红外波段有较高的反射率。激光测距设备用于确定目标物体的位置，如目前在军事领域广泛使用的工作波长为1060nm的nd:yag激光器，利用激光器释放激光信号，通过在目标物体表面进行高反射，探测回波信号来进行测距。具有亮度高、能量集中等特点。通过将1060nm激光处设计为较低的反射率，实现1060nm激光隐身目的。。
3.随着军事技术的发展，红外线侦察装置和激光测距设备结合应用，单一隐身已经无法适应现代隐身技术的需求。红外隐身在红外波段的高反射率条件和激光隐身在特定频段(1060nm)为低反射率的条件，是一对彼此制约的矛盾，因此实现近中红外与激光兼容隐身是十分有必要和意义。
4.涂料型隐身材料、多层隐身材料、夹芯隐身材料等传统复合型隐身材料只能实现单波段的红外隐身，难以达到多波段兼容隐身要求。军事上采用的探测器波段多为近红外波段(0.75-1.4μm)与中红外波段(3-8μm)，由于5-8μm范围内存在严重的水汽吸收，远处目标辐射的红外光大多都被水汽吸收了，对这个波段的探测是没有实际意义的，所以通常对中红外波段的研究是3-5μm。。
5.2009年，刘必鎏等利用薄膜光学理论中的特征矩阵法,设计的掺杂znse的cdse/sio2光子晶体薄膜，结果表明掺杂光子晶体可以很好的满足热红外和1060nm或10600nm激光隐身融合的条件。2016年，时家明等利用光子晶体掺杂原理，在光子晶体周期结构中引入了两种缺陷，设计出了在1-5μm的带隙中出现了波长分别为1060nm和1540nm的缺陷模，1060nm和1540nm反射率分别为1.21％和1.79％。结果表明，利用光子晶体的缺陷能级形成的光谱挖孔结构能够满足近中红外与激光兼容隐身的要求。2019年，王航等将掺杂光子晶体与准周期膜系叠加，设计了可见光、远红外与1060nm及10600nm激光兼容隐身光子晶体薄膜，反射率分别为10％和40％左右，能够有效减弱入射激光的回波功率。
6.但是，现有技术中的光子晶体薄膜均采用由两种非金属薄膜构成的光子晶体的结构，通过叠加不同周期结构的光子晶体达到拓宽其禁带的研究目的。这使得其用于红外隐身的光子晶体薄膜具有结构层数较多的不足，且层数多会增加工艺的复杂性和工艺成本。因此，需要提出一种膜层层数较少的激光-红外隐身薄膜结构，以实现1060nm和中远红外波段兼容隐身的目的。

技术实现要素：

7.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，以实现宽频红外波段的高反射和通信波段的低反射。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，包括基底层，所述基底层上依次设置有第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，nh＞n
l
；所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为lam0/(4
×nl
)，第三薄膜层的厚度为lam0/(2
×
nh)，lam0表示中心光波长。
9.所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层材料为zns，所述第二薄膜层和第四薄膜层材料为ag。
10.所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为1472nm，第三薄膜层的厚度为228nm。
11.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
12.本发明提供了一种反射性近中红外与1060nm激光兼容隐身的薄膜结构，其选用zns作为高折射率层，选用ag作为低折射率层，构建了层数仅为6层的薄膜结构，通过comsol软件中陷波滤波器模拟，得到该薄膜结构具有1060nm激光的反射率低至4％，而在650～3000nm的红外波段均具有较高反射率，因此，本发明呈现的高反射带可以实现红外伪装，其在1060nm处形成的反射谷可以实现激光隐身，进而实现近中红外与1060nm处激光兼容伪装。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的一种反射性近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构的结构示意图；
14.图2为本发明实施例的薄膜结构在650-5000nm波段的反射率光谱；
15.图3为本发明实施例的薄膜结构在650-1200nm波段的反射率光谱；
16.图中：1为基底层，2为第一薄膜层，3为第二薄膜层，4为第三薄膜层，5为第四薄膜层，6为第五薄膜层。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，本发明实施例提供了一近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，包括基底层，所述基底层上依次设置有第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为nh，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，nh＞n
l
；所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为lam0/(4
×nl
)，第三薄膜层的厚度为lam0/(2
×
nh)，lam0表示
中心光波长，本实施例中lam0为激光工作波长1060nm。
19.具体地，本实施例中，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层材料为zns，所述第二薄膜层和第四薄膜层材料为ag。其中zns在波长1060nm处折射率nh＝2.32，ag在波长1060nm处折射率n
l
＝0.18。因此，本实施例中，所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为1472nm，第三薄膜层的厚度为228nm。
20.本实施例中，充分考虑ag和zns这两种介质材料在近中红外波段实部和虚部的影响，设计了sub|aba1ba|air的薄膜结构，共包含5层薄膜，其中sub是基底，air是空气，高折射率层a和a1材料为zns，；低折射率材料层b为ag。zns设置为最外层和最内层，可防止金属ag氧化和提升其与基底的附着力。由于膜的干涉，增透膜的作用是增加透射光同时减少反射光，使得膜的前后两个表面反射的光彼此重叠，产生振动衰减区，而振动衰减的要求是两光的波程差是半波长的奇数倍，膜干涉的光的波程差是膜厚度的两倍，用公式表示为：
21.δs＝2d＝(2n+1)λ/2；
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(1)
22.其中，d表示光学厚度，λ表示波长，当n＝0时，膜的厚度最薄，此时d＝λ/4，所以使每层的光学厚度设为真空波长的1/4。
23.该结构薄膜的反射率光谱如图2～3所示。从图2可得，本发明除1060nm处出现的低反射波谷，在其余波段650-3500nm波段范围内，呈现出均为100％的高反射随波长增加，反射率在3500nm处开始逐渐下降，但反射率仍然在55％以上同时，在1060nm处形成了明显的低反射，应做出说明的是，由于分辨率的原因，图2中在1060nm处的反射率低谷处的反射峰无法正常显示。将波段放大到640nm～1210nm的范围，如图3所示，可以看到，在中心波长1060nm处的反射率仅为4.45％，低反射可降低1060nm激光的回波功率，呈现出的高反射可以实现红外伪装，进而实现近中红外与1060nm处激光兼容伪装。因此，本发明可以使高反射带内的大部分红外辐射反射回去，从而有效抑制红外辐射从而达到兼容隐身的效果。
24.此外，应作出说明的是，虽然上述实施例仅以波长lam0为1060nm为例进行设计，但是，本领域技术人员根据上述说明的方法，可以根要激光隐身的波长值，如lam0取1540nm和10600nm等其它波长，进而对薄膜的各个膜层厚度进行设置，使得第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
nh)，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为lam0/(4
×nl
)，第三薄膜层的厚度为lam0/(2
×
nh)，仍然可以实现近中红外与其它激光波长处的激光兼容伪装。
25.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，其特征在于，包括基底层，所述基底层上依次设置有第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为n
h
，所述第二薄膜层和第四薄膜层的折射率为n
l
，n
h
＞n
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；所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为lam0/(4
×
n
h
)，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为lam0/(4
×
n
l
)，第三薄膜层的厚度为lam0/(2
×
n
h
)，lam0表示中心光波长。2.根据权利要求1所述的一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，其特征在于，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层材料为zns，所述第二薄膜层和第四薄膜层材料为ag。3.根据权利要求2所述的一种近中红外与激光兼容隐身的薄膜结构，其特征在于，所述第一薄膜层和第五薄膜层的厚度为114nm，第二薄膜层和第四薄膜层的厚度为1472nm，第三薄膜层的厚度为228nm。

技术总结

本发明涉及光学技术领域，公开了一种反射性近中红外与激光兼容隐身的滤波薄膜，包括基底层，所述基底层上依次设置有第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第四薄膜层和第五薄膜层，所述第一薄膜层、第三薄膜层和第五薄膜层的折射率为n

技术研发人员：

赵亚丽 陈霞 李勇 张德平 王会杰

受保护的技术使用者：

晋中学院

技术研发日：

2022.06.30

技术公布日：

2022/11/3