1、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1)2)张伊祎1)2)韦雪玲1)2)姜鑫鹏2)李宁1)2)王冬迎2)3)肖思洋1)2)陈泓廷2)3)张振荣1)杨俊波2)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)(2023年 5月 25 日收到)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
2、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%,1550nm 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.关键词：电介质/金属/电
3、介质膜系,激光隐身,表面等离极化激元,遗传算法PACS：78.67.n,78.67.Pt,78.20.eDOI:10.7498/aps.72.202308551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
4、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*国家自然科学基金(批准号:12272407,62275269,62275271)、国家重点研发计划(批准号:2022YFF0706005)和粤桂联合科学重点基金(批准号:2021GXNSFDA076
5、001)资助的课题.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-1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57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
6、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”
7、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 1060nm的 Nd:YAG 激光器8、波长为 1550nm 的掺铒激光器9和波长为 10600nm 的二氧化碳激光器10,1550nm 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 1550nm 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 1550nm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 1550nm
8、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 4001000nm 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
9、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 380780nm 可见光波段的高透射效果与近红外激光波长 1550nm 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Si
10、3N4/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.123380780 nm1550 nmAgSi3N4图1超表面减反射膜示意图Fig.1.Diagramofmetasurfaceantireflectionfilm.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
11、这一研究手段.本文在研究时主要采用时域有限差分方法(finitedifference物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-2timedome,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
12、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
13、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.本文中设定遗传算法的适应度函数为FOM=0.6T(1,2)+0.4A(),(1)12T(1,2)其中,和 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 380780nm;12A()A()=1 R()T()A()T(1,2)表示 和 波段内的平均透过率;表示 波长下的吸收率.利用公式 计算出吸收光谱 ,可以由(2)式计算出来:T(1,2)=12 121T()d,(2)T()其中,表示 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
14、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 380780nm 可见光波段有较高的透过率并且能够有效降低 1550nm 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.T()R()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
15、美匹配层,超表面减反射膜的透射光谱 和反射光谱 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=350nm,下层 Si3N4薄膜开始随机产生150个个体仿真软件计算平均迱过率,反射率满足连代终止条件？YN保留最优30个个体迭择、交叉、变异产生120个个体新一代种群输出结果终止计算迨应度函数FOM图2遗传算法流程图Fig.2.Geneticalgorithmflowchart.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-3厚度 t1=35nm,中间 Ag 层厚度 t2=10nm,上层 Si3N4厚度 t3=35nm,以
16、及顶层微纳结构 Ag的几何参数,长 l=190nm,宽 w=60nm,厚 t4=10nm,整个初始超表面减反射膜的总厚度为90nm.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=350nm,t1=41nm,t2=18nm,t3=41nm以及 l=166nm,w=62nm,t4=10nm,整个超表面减反射膜的总厚度为 110nm.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 380780nm可见光波段内的平均透过率可达 88%,在 484nm处出现峰值为 9
17、4%的透射峰,在 1550nm 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 1550nm 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.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
18、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
19、系数近乎为021.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.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-Drude3804304805305806306807307800.20.40.60.81.0透过率初始透过率优化后透过率(a)波长/nm反射率/吸收率120013001400150016001700180000.20.40.60.8初始反射率优化后反射率初始吸收率优化后吸收
20、率(b)波长/nm图 3算 法 优 化 前 后 性 能 对 比 (a)算 法 优 化 前 后380780nm 透过率对比;(b)算法优化前后 1550nm 反射率/吸收率对比Fig.3.Performancecomparisonbeforeandafteralgorithmoptimization:(a)Comparison of transmittance between380nmand780nmbeforeandafteroptimization;(b)re-flectance/absorptionratioof1550nmbeforeandafterop-timizationiscomp
21、ared.表1算法优化前后结构的性能对比Table1.Performancecomparisonofthestructurebeforeandafteralgorithmoptimization.初始结构优化结构结构参数/nmt1=35,t2=10,t3=35,t4=10,l=190,w=60t1=41,t2=18,t3=41,t4=10,l=166,w=62总厚度/nm90110380780nm平均透过率/%84881550nm反射率/%58101550nm透过率/%2101550nm吸收率/%4080物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)1778021778
22、02-4色散模型分析厚度为18nm 的超薄Ag 膜在484nm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.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 380,470,560nm 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,
23、展现出可见光高透过的效果.在 1550nm 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.当 1550nm 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
24、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.4讨论从图 3(a)发现,超表面减反射膜在 700nm 后的透射效果有所下降,通过观察 700nm 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
25、元结构之间也有增强,这是传播型等离激元模式和 F-P 腔共振模式的结合,从而在 700nm 后产生小幅度的吸收导致透射效果下降.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 1550nm 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.0.30.40.50.60.70.8012345折射率实部/虚部折射率实部折射率虚部(a)波长/mm折射率实部/虚部00.51.01.52.02.53.00.30.40.50.60.70.8折
26、射率实部折射率虚部(b)波长/mm图4Ag 和 Si3N4的折射率(a)Ag 在 380780nm 的折射率;(b)Si3N4在 380780nm 的折射率Fig.4.RefractiveindexofAgandSi3N4:(a)Refractivein-dexofAgat380780nm;(b)refractiveindexofSi3N4at380780nm.-1000100-40-20020400.50.60.70.80.91.0/nm/nmAg图5超薄 Ag 膜 484nm 处 xz 截面的归一化电场图Fig.5.Normalized electric field diagram of
27、xz section at484nmofultra-thinAgfilm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-5-1000100-40-2002040(a)0.20.40.60.81.0/nm/nm-1000100-40-2002040(b)0.50.60.70.80.91.0/nm/nm-1000100-40-2002040(c)0.900.951.00/nm/nm-1000100-40-2002040(d)0.20.40.60.81.0/nm/nm0.700.750.800.85图6Si3N4/Ag/Si3N4三层膜系 xz 截面
28、的归一化电场图(a)380nm 处 xz 截面的归一化电场图;(b)470nm 处 xz 截面的归一化电场图;(c)560nm 处 xz 截面的归一化电场图;(d)1550nm 处 xz 截面的归一化电场图Fig.6.NormalizedelectricfielddiagramofxzsectionofSi3N4/Ag/Si3N4three-layerfilms:(a)Normalizedelectricfielddiagramofxzsectionat380nm;(b)normalizedelectricfielddiagramofxzsectionat470nm;(c)normalized
29、electricfielddiagramofxzsectionat560nm;(d)normalizedelectricfielddiagramofxzsectionat1550nm.-100-500100100-150-100-50015010050(a)1080706050403020/nm/nm10203540-150150-100-500100100-150-100-50015010050(c)/nm/nm-150150(b)-100-500100100-150-100-50015010050/nm/nm-150150(d)-100-500100100-150-100-50015010
30、050/nm/nm-1501500.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035图71550nm 处的电磁场分布(a)1550nm 处xy 截面电场图;(b)1550nm 处xy 截面磁场图;(c)1550nm 处xz 截面电场图;(d)1550nm处 xz 截面磁场图Fig.7.Electromagneticfielddistributionat1550nm:(a)Electricfielddiagramofxysectionat1550nm;(b)magneticfielddia-gramofxyc
31、rosssectionat1550nm;(c)electricfielddiagramofxzsectionat1550nm;(d)magneticfielddiagramofxzcrosssec-tionat1550nm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-6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=350nm,t1=43nm,t2=13n
32、m,t3=56nm 以及l=181nm,w=51nm,t4=10nm.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 1550nm 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,Si
33、3N4,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
34、子达成阻抗匹配,所以透射性能最佳,且在 1550nm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-100-500100100(a)4321/nm/nm-150150-40-200204060(b)-100-500100100/nm-1501500.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008/nm-40-200204060图8700nm 处 xz 截面的电磁场分布(a)700nm 处 xz 截面电场图;(b)700nm 处 xz 截面磁场图Fig.8.Electromagneticfield
35、distributionat700nm:(a)Electricfielddiagramofxzsectionat700nm;(b)magneticfielddiagramofxzcrosssectionat700nm.10204030(a)入射角度/(O)迱过率吸收率波长/nm03807804605406207000.650.700.750.800.850.90(b)波长/nm1200180010204030入射角度/(O)0130014001500160017000.20.30.40.50.60.70.8图9不同入射角度对性能的影响(a)不同入射角度对 380780nm 透过率的影响;(b)
36、不同入射角度对 1550nm 吸收率的影响Fig.9.Effectsofdifferentincidentangleonproperties:(a)Effectofdifferentincidentangleontransmittanceof380780nm;(b)eff-ectofdifferentincidentangleonabsorptivityof1550nm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-738048058068078000.20.40.60.81.0(b)迱过率波长/nm(c)0.91200130014001500
37、1600170018000.10.30.50.7吸收率/反射率反射率吸收率波长/nm4321(a)图10(a)偏振不敏感结构示意图;(b)380780nm 的透过率;(c)1550nm 处吸收率Fig.10.(a)Schematicdiagramofpolarizationinsensitivestructure;(b)transmittancebetween380nmand780nm;(c)absor-ption/reflectanceratioof1550nm.759060(a)极化角度/(O)波长/nm03807804605406207000.650.600.700.750.800.85
38、0.900.95(b)波长/nm12001800130014001500160017000.20.30.40.50.60.70.8153045759060极化角度/(O)0153045迱过率吸收率图11偏振角度对性能的影响(a)不同极化角度对 380780nm 透过率的影响;(b)不同极化角度对 1550nm 吸收率的影响Fig.11.Effectofpolarizationangleonproperty:(a)Effectofdifferentpolarizationanglesonthetransmittanceof380780nm;(b)effectofdifferentpolariza
39、tionanglesontheabsorptionrateof1550nm.0.20.40.60.81.0迱过率3804304805305806306807307800波长/nm(a)SiCMgF2SiO2Si3N4TiO21200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.81.0迱过率0(b)SiCMgF2SiO2Si3N4TiO2图12不同电介质材料对性能的影响(a)不同电介质材料对 380780nm 透过率的影响;(b)不同电介质材料对 1550nm 吸收率的影响Fig.12.Effects of different dielectric mater
40、ials on properties:(a)Effect of different dielectric materials on transmittance of380780nm;(b)effectofdifferentdielectricmaterialsontransmittanceof1550nm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-8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,1550nm 处的吸收率显著降低,达不到目
41、标隐身要求.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0.20.40.60.81.0透过率3804304805305806306807307800波长/nm(a)Si
42、CMgF2SiO2Si3N4TiO21200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.81.0吸收率0(b)SiCMgF2SiO2Si3N4TiO2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 380780nm 透过率的影响;(b)不同底层电介质材料对 1550nm 吸收率的影响Fig.13.Effectsofdifferentbottomdielectricmaterialsonproperties:(a)Effectofdifferentbottomdielectricmaterialsontransmit-tanceof380780
43、nm;(b)effectofdifferentbottomdielectricmaterialsontransmittanceof1550nm.1=101=201=301=411=501=651=750.20.40.60.81.0透过率3804304805305806306807307800波长/nm(a)2=52=102=182=252=300.20.40.60.81.0透过率3804304805305806306807307800波长/nm(c)1=201=301=411=501=651=751=851200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.8
44、1.0吸收率0(b)2=52=102=182=252=301200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.81.0吸收率0(d)图14介质层厚度 t1和金属层厚度 t2对性能的影响(a)t1对 380780nm 透过率的影响;(b)t1对 1550nm 吸收率的影响;(c)t2对 380780nm 透过率的影响;(d)t2对 1550nm 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 o
45、n transmittance of380780nm;(b)effectoft1onabsorptionrateof1550nm;(c)effectoft2ontransmittanceof380780nm;(d)effectoft2onab-sorptionrateof1550nm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)177802177802-9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 50nm 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 20nm 厚度以下几乎不会产生吸收,在 2050nm 之间吸收
46、峰随着 t1增大而蓝移且强度增大,在 50nm 之后超表面减反射膜在 1550nm 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.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 150nm,吸收峰蓝移且强度增
47、大,w 增大超过 150nm 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.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
48、 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 1550nm 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 110nm,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 380780nm 的平均透过率为=50=100=166=200=250=3500.60.70.80.91.0透过率3804304805305806306807307800
49、.5波长/nm(a)=20=62=100=150=200=2500.20.40.60.81.0透过率3804304805305806306807307800波长/nm(c)=50=100=166=200=250=3501200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.8吸收率0(b)=20=62=100=150=200=2501200130014001500160017001800波长/nm0.20.40.60.8吸收率0(d)图15图案微纳结构的长 l 和宽 w 对性能的影响(a)l 对 380780nm 透过率的影响;(b)l 对 1550nm 吸收率
50、的影响;(c)w 对380780nm 透过率的影响;(d)w 对 1550nm 吸收率的影响Fig.15.Effectsoflengthlandwidthwonperformanceofpatternedmicro-nanostructures:(a)Effectoflontransmittanceof380780nm;(b)effectoflonabsorptionrateof1550nm;(c)effectofwontransmittanceof380780nm;(d)effectofwonab-sorptionrateof1550nm.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No
