基于微纳多层结构的可见光-红外频谱特性调控研究

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近些年来,随着当前可见光识别和红外光热探测手段的快速发展并且集成一体化技术的成熟,传统针对单一波段和用途伪装的常规目标已经“无所遁形”,其被发现概率持续显著提升。因此,作为一类有效频谱特性调控手段,应用于目标表层的可见光-红外兼容伪装材料或者结构已然成为当前及未来军事反侦察领域的研究热点。然而目前主要兼容伪装手段仍然存在迷彩颜色属性偏差或红外发射率偏高的问题。为此,我们以微纳多层结构为模型,系统地提出了两种可见光-红外兼容伪装新结构体系;并从电磁传输和材料物理机制出发,深入研究了新体系应用于兼容伪装领域的诸多相关性能参量的客观规律和内在作用机理。主要内容如下:首先,分别探究了红外大气窗口光子带隙(Photonic Bandgap,PBG)设计和可见光薄膜等倾干涉效应(Equal Inclination Interference Effect)呈色原理;基于此,提出了微纳多层结构的串联伪装设计思路,并成功制备了单色迷彩-红外低发射率兼容伪装结构Hs/Ge(ZnS/Ge)3(Hs为干涉调控层厚度)。此外,进一步从微观形貌、电磁响应、颜色属性等方面分析了表面亚微米级聚四氟乙烯(PTFE)光泽度弱化能力,最终设计并制备了单色迷彩-低光泽度-红外低发射率三级串联兼容伪装结构PTFE/Hs(Ge/ZnS)3。其次,详细研究了斜入射极化分离CIE(Commission Internationale de L’Eclairage)颜色量化机制,并系统地推导和提出了主要迷彩颜色参量(三刺激值Tv、亮度因子Y%和色度坐标CCs)在斜入射(45°、60°和75°)极化分离(s偏振、p偏振)下的4种规律特性:Tv或Y%的算数平均特性、CCs的共线特性、Tv或Y%的s偏振分量大于p偏振分量特性、合成CCs趋近于s偏振分量的特性。随后利用电磁反射响应R(?)和颜色属性之间耦合机制,设计了针对斜入射极化分离的迷彩颜色属性表征新手段“两步法”,并验证了前述推导规律特性的正确性。再次,本文深入研究了多重光子带隙拼接和数码迷彩约束机制,在利用有限元法(FEM)对复杂界面结构的剖分计算模拟后,提出了基于电介质薄膜的数码迷彩化设计思路,并制备了针对可见光迷彩-红外低发射率兼容伪装的表面图形化光子晶体(SGPC)结构。随后从8-14?m带隙有效展宽和物理厚度减薄两方面定量分析了底层厚度渐变准周期结构的优势所在。并通过反射响应、颜色属性、3D电场分布等方面,系统地研究了x-y平面7种数码迷彩纹理和z方向3种等倾干涉颜色的空间耦合数码迷彩性能。此外,从干涉颜色三属性的变化规律和带隙拼接缓冲效应角度出发,分别揭示了迷彩伪装斜入射适用性和红外传输角度不敏感特性。最后,以显著提升金属基微纳多层结构颜色属性为目的,在深入分析金属(M)-电介质(D)界面强化布拉格反射(Bragg Reflection)机制和高频趋肤效应(Skin Effect)后,提出了三明治结构M-D-M增强上层M-D界面反射光强度来匹配整体等倾干涉效应的设计思路,并制备了双金属Ag干涉增强型表面图形化SiO2/Ag/ZnS/Ag可见光-红外兼容伪装结构。研究了其斜入射主要伪装指标角度不敏感特性,基于金属Ag的非金属(可见光半透明)与金属效应(红外高反射)高频切换机制,获得了兼容性能优异的Ag基三色迷彩(黄色、深蓝色和青色)-红外低发射率伪装结构。
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