微/纳尺度可见光-红外-激光兼容辐射光谱特性调控机理研究

The research is focused on three scientific problems in the field of visible-infrared-laser multichannel compatible stealth of target, (1)interaction mechanism of hybrid structure and electromagnetic wave;(2)control method of omnidirectional multichannel compatible spectral characteristics;(3)preparation and test of hybrid structured surface. The interaction between the hybrid structure and electromagnetic wave is investigated. The effects of structure kind, structural parameters, material properties on the radiative spectral properties are researched. The mechanism of interaction between hybrid structured surface and electromagnetic wave is revealed. The effects of incident angle on the constitutive relation between radiation characteristics and structural features and material properties are analyzed. The control method of omnidirectional multichannel compatible spectral characteristics is established. The micro-structured surfaces are experimentally prepared and the radiative spectral features at different incident angles are tested. The experimental results are utilized to verify and modify the theoretical model, which provides great theoretical and experimental foundation for the design of multichannel compatible stealth structured surface.

围绕可见光-红外-激光多波兼容隐身结构光谱特性调控需要的三个关键科学问题：（1）复合结构与电磁波的相互作用机理，（2）广角性的多波段兼容辐射光谱特性调控方法，(3)复合结构表面的制备与测试,研究复合结构与电磁波之间的相互作用关系，探究表面结构种类、结构尺寸、材料属性对辐射光谱特性的影响规律，揭示复合结构表面与电磁波之间的相互作用机制。分析入射角对辐射特性与结构特征、材料参数之间本构关系的影响，建立广角性的多波段兼容辐射特性调控方法。实验制备复合结构表面，测试其在不同的入射角下的辐射光谱特性，研究辐射特性的调控效果，利用实验结果对理论进行校验，完善理论模型，为多波段兼容隐身结构表面的设计奠定理论和实验基础。

本项目以军事装备的多波段兼容隐身为应用背景，围绕多波段兼容光谱特性调控，开展了3个方面的研究：.基于金属/介质/金属膜层结构的色散关系模型，建立磁极化效应共振频率的预测模型。利用蛾眼结构结合MIM膜层结构，设计了一种复合结构表面，通过激发磁极化效应，强化了5-8um波段辐射，峰值吸收率可达到0.9以上。利用金属材料的高反射特性，实现了3-5um和8-14um两个大气窗口波段的低发射率，实现了红外隐身的目标。利用金属蛾眼结构的散射作用，使得微结构表面在可见光波段的特定波段(0.4-0.45um)具有较高的反射率，呈现出预期的表观颜色特征，实现可见光波段的隐身。.基于LC共振回路理论提出了金属狭缝腔体结构表面，三种不同尺寸的槽腔沿x和y方向周期性排布。在每个结构周期中心区域有四个纳米柱，形成复合结构表面。该表面结构在3-5um和8-14um波段具有较高的反射率，满足低发射的隐身需求。而3.00751um和5.11171um处的吸收峰可以强化表面与环境的换热，降低目标的热负荷。而1.0595um处的吸收峰可以有效地吸收1.06um激光器的辐射电磁波，实现激光隐身，峰值吸收率可达到0.97以上。在0.52um附近具有较高的反射率，可以使目标呈现蓝色，在空中目标的隐身方面具有潜在的应用价值。. 在整个0°-60°入射角范围内，5-8um波段内的发射率峰和1.06um波长处的发射率峰几乎没有发生位置的偏移，实现1.06um处激光隐身及5-8um的强辐射。10.6um处的发射率峰在0°-40°入射角范围内无明显的偏移，峰值吸收率可达到0.995。入射角达到40°以上时，发射率峰向短波略有偏移，由于此发射率峰比较宽，10.6um波长处的吸收率仍然保持较高的水平，保证了该波长的激光隐身。在3-5um和8-14um的其他波段，呈现较低的吸收率(即发射率)，保证了红外隐身。.根据当前纳米技术水平设计了圆形阵列复合结构表面，利用光刻技术和热蒸镀技术建立了微结构表面制备流程。制备了微结构表面样品，利用光谱仪测试微结构表面光谱特性，该结构表面在3-5um和8-14um具有较低的发射率，而在5-8um波段存在明显的辐射峰，可加强该波段的辐射，强化换热。峰值发射率可达到0.75。