多波段兼容隱身用光子晶體研究進(jìn)展

孟子暉, 李仁玢, 邱麗莉, 王樹(shù)山, 喬宇

(1.北京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 北京 100081; 2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100081;3.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院, 北京 100144)

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種先進(jìn)的紅外、激光、雷達(dá)偵察和精確制導(dǎo)武器等相繼問(wèn)世[1]。制導(dǎo)技術(shù)和探測(cè)手段日益多樣化，使戰(zhàn)場(chǎng)上武器裝備可能同時(shí)面臨多種威脅。因此，武器裝備的隱身從紅外、激光、雷達(dá)、可見(jiàn)光等單一波段，向多波段兼容隱身方向發(fā)展[2]。

目前通過(guò)多種單一波段隱身材料的有機(jī)組合方式，能夠達(dá)到多波段兼容隱身的效果。在武器裝備上應(yīng)用隱身涂料、隱身篷布、隱身網(wǎng)、隱身復(fù)合材料等已初步實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光/紅外/雷達(dá)兼容隱身[3]。但是仍然存在一些問(wèn)題：在紅外波段的紅外發(fā)射率較高、激光隱身與紅外隱身無(wú)法實(shí)現(xiàn)兼容、紅外隱身和雷達(dá)隱身需求相互制約等[4]。由此可見(jiàn)，僅通過(guò)傳統(tǒng)的單一波段隱身材料組合很難解決多波段兼容隱身問(wèn)題，而光子晶體材料的出現(xiàn)為解決多波段兼容隱身問(wèn)題提供了新的思路[5]。

光子晶體這一概念是1987年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Yablonovitch[6]在研究固體物理電子學(xué)中的自發(fā)輻射抑制問(wèn)題時(shí)提出的，幾乎同時(shí)，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的John[7]在研究某些無(wú)序介質(zhì)超晶格中光子的強(qiáng)局域化問(wèn)題時(shí)也獨(dú)立地提出了光子晶體的概念。光子晶體作為一種超材料，是指介電常數(shù)(或折射率)在空間周期性分布而具有光子禁帶的特殊材料。頻率處于光子晶體禁帶頻率內(nèi)的電磁波，在光子晶體中不能傳播；而頻率處于光子局域頻率范圍內(nèi)的電磁波則會(huì)透過(guò)光子晶體表現(xiàn)出高透射性。研究人員通過(guò)對(duì)構(gòu)成光子晶體的材料組成、有效折射率、晶格參數(shù)等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以制備出具有特定波段光子禁帶的光子晶體。隨著光子晶體技術(shù)數(shù)十年的發(fā)展，光子晶體材料在隱身領(lǐng)域取得了很多研究進(jìn)展。

本文將從紅外多波段隱身、激光/紅外兼容隱身、雷達(dá)/紅外兼容隱身、可見(jiàn)光/紅外兼容隱身和多波段兼容隱身5個(gè)方面介紹光子晶體在多波段兼容隱身方面的研究進(jìn)展。

1 紅外多波段隱身研究進(jìn)展

目前，常用的紅外偵測(cè)手段是通過(guò)紅外熱像儀來(lái)識(shí)別目標(biāo)場(chǎng)景與背景在輻射亮度上的差異而實(shí)現(xiàn)探測(cè)的。因此紅外隱身要求盡可能地減少武器裝備與背景的紅外輻射亮度差異[8]。

物體向外輻射能量的過(guò)程，遵循斯蒂芬- 玻爾茲曼定律：

E=σεT4，

(1)

式中：E為物體的全輻射出射度；σ為斯蒂芬- 玻爾茲曼常數(shù)；ε為物體的發(fā)射率；T為物體的絕對(duì)溫度。由(1)式可知，物體的紅外輻射能量大小取決于物體的溫度T及發(fā)射率ε. 降低物體表面溫度T較難實(shí)現(xiàn)，一般采用控制紅外發(fā)射率ε來(lái)降低物體的紅外輻射能量[9]。因此紅外隱身技術(shù)要求用于目標(biāo)的紅外隱身材料具有低紅外發(fā)射率，即要求材料對(duì)紅外波段電磁波具有高反射和低吸收的特性。

目前，紅外隱身主要是針對(duì)3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm兩個(gè)紅外大氣窗口波段，但大部分紅外隱身材料不能在中、遠(yuǎn)紅外兩個(gè)波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)低的紅外發(fā)射率。光子晶體以其獨(dú)特的頻率禁帶選擇性特點(diǎn)為解決紅外多波段兼容隱身問(wèn)題提供了一個(gè)新思路[10]。

2000年，美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室Lin等[11]在研究三維光子晶體對(duì)紅外熱輻射的增強(qiáng)和抑制機(jī)理時(shí)，制備了一種三維硅材料光子晶體薄膜。實(shí)驗(yàn)表明該薄膜可以實(shí)現(xiàn)在5.00～9.00 μm波段熱輻射的增強(qiáng)和在10.00～16.00 μm波段熱輻射的抑制。

同年，Blanco等[12]以二氧化硅蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體為模板，制備了一種新型的具有近紅外雙波段完全光子禁帶的三維硅反蛋白石光子晶體，其掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖1所示。這種制備方法簡(jiǎn)單且成本極低，對(duì)規(guī)模化制備中、遠(yuǎn)紅外大面積純硅光子晶體具有重要的參考價(jià)值。

2001年，Temelkuran等[13]利用一維光子晶體的兩個(gè)光子禁帶設(shè)計(jì)了一種紅外波段全向反射鏡。該反射鏡對(duì)于任意偏振態(tài)的電磁波在4.50～5.50 μm和8.00～12.00 μm兩個(gè)波段上可產(chǎn)生全向反射，即在中、遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了高反射、低輻射，也為后續(xù)波段范圍的進(jìn)一步拓展奠定了基礎(chǔ)。

隨后，F(xiàn)leming等[14]制備了一種全金屬三維木堆結(jié)構(gòu)光子晶體，SEM圖像如圖2所示。其方法是在已經(jīng)制備好的多晶硅/二氧化硅結(jié)構(gòu)上選擇性地移除硅棒，并通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法(CVD)回填鎢。該結(jié)構(gòu)在8.00～20.00 μm遠(yuǎn)紅外波段對(duì)熱輻射具有強(qiáng)抑制作用，同時(shí)對(duì)其他波段的輻射具有高的透射性。

2006年，Alive等[15]成功地制造了一種硫系玻璃(Ge33As12Se55)反蛋白石光子晶體，如圖3所示，其光子帶隙被調(diào)諧到3.00～5.00 μm和 8.00～14.00 μm的紅外大氣透明窗口區(qū)域，可見(jiàn)，該光子晶體可作為中紅外和遠(yuǎn)紅外波段兼容隱身材料。

國(guó)內(nèi)在光子晶體紅外隱身方面的研究開(kāi)展較晚，經(jīng)過(guò)科研工作者這些年的努力取得了較大進(jìn)展，尤其是在基于一維光子晶體紅外禁帶展寬方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列進(jìn)展。

2002年，Wang等[16]從理論上證明了多層介質(zhì)反射鏡的全向全反射頻率范圍可以根據(jù)光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)大幅度地?cái)U(kuò)大。這種光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)全向光子帶隙相互重疊的一維光子晶體組成，實(shí)現(xiàn)了兩組光子晶體光子禁帶的合并和拓寬。

2008年，趙大鵬等[17]使用碲和聚乙烯(PE)設(shè)計(jì)了中紅外和遠(yuǎn)紅外雙波段一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體全向反射鏡。該結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)在3.40～5.40 μm和8.00～12.50 μm兩個(gè)波段實(shí)現(xiàn)全向反射，滿足中、遠(yuǎn)紅外雙波段兼容隱身的要求。

2009年，張民等[18]制備了一種碲化鉛(PbTe)/冰晶石(Na3AlF6)一維復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm兩個(gè)波段上都具有很高的反射率，為中、遠(yuǎn)紅外多波段隱身材料的應(yīng)用提供了有益的探索。

2012年，高永芳等[19]構(gòu)造了一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體。該結(jié)構(gòu)光子晶體在2.91～5.12 μm和7.62～12.29 μm波段的反射率達(dá)95%以上，基本實(shí)現(xiàn)了中、遠(yuǎn)紅外雙波段兼容隱身。

同年，Zhao等[20]選擇碲化鉛和氟化鎂，分別用中心波長(zhǎng)分別為10.60 μm、4.80 μm、2.50 μm和1.06 μm的4種光子晶體設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)，在1.00～18.00 μm波段獲得接近100%的反射率，很好地滿足了全紅外波段隱身的需求。

可見(jiàn)，光子晶體紅外隱身材料利用光子禁帶的物理特性抑制紅外線的傳播，實(shí)現(xiàn)了超低紅外輻射率的優(yōu)異特性[21]。通過(guò)改變光子晶體的材料種類(lèi)、光子晶體微結(jié)構(gòu)參數(shù)等方法，可以在不同波段呈現(xiàn)不同的反射、輻射特性，再將兩種或兩種以上不同周期結(jié)構(gòu)的光子晶體構(gòu)建成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)紅外多波段兼容隱身。

2 激光/紅外兼容隱身研究進(jìn)展

激光偵察技術(shù)是通過(guò)探測(cè)己方激光器發(fā)射激光的回波來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)的，是一種主動(dòng)型探測(cè)，具有效率高、穿透能力強(qiáng)、定向性好等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)激光偵察技術(shù)特點(diǎn)，采用激光雷達(dá)截面(LRCS)參數(shù)來(lái)表征武器裝備對(duì)激光偵測(cè)的隱身性能[22]。目標(biāo)場(chǎng)景對(duì)LRCS的定義為激光雷達(dá)在接收機(jī)上產(chǎn)生同樣光強(qiáng)的全反射球體橫截面積，即

ALRCS=4πρA/Ω，

(2)

式中：ρ為武器裝備的激光反射率；A為武器裝備的實(shí)際投影面積；Ω為武器裝備的散射波束立體角。ALRCS值越大，表明武器裝備越容易被激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)或者被激光制導(dǎo)鎖定。

目前使用的激光探測(cè)器主要是波長(zhǎng)為1.06 μm的釔鋁石榴石激光器和波長(zhǎng)10.60 μm的二氧化碳激光器。激光隱身技術(shù)主要針對(duì)的就是這兩個(gè)波長(zhǎng)，要求隱身材料對(duì)這兩個(gè)波長(zhǎng)的光具有較低的反射率。而這兩種激光器的波長(zhǎng)都在紅外光譜波段內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)著近紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段，這與紅外隱身要求材料對(duì)紅外波段電磁波具有高反射和低吸收的特性相互制約。可見(jiàn)，紅外/激光兼容隱身一直是兼容隱身的難題，依靠單一結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)紅外/激光兼容隱身功能非常困難。

光子晶體材料基于光子禁帶的高反射特性可以實(shí)現(xiàn)紅外光隱身功能；通過(guò)采用“光譜挖孔”(使材料在激光探測(cè)器的工作波長(zhǎng)1.06 μm或10.60 μm附近出現(xiàn)較窄的低反射率帶、在其他紅外光波段均呈現(xiàn)高反射特性，如同在紅外波段光譜上挖孔)的方法可以實(shí)現(xiàn)激光隱身效果，即達(dá)到激光/紅外兼容隱身的目的。

2007年，高海潮等[23]針對(duì)軍事上應(yīng)用比較廣泛的波長(zhǎng)為10.60 μm的二氧化碳激光器, 利用薄膜光學(xué)的特征矩陣計(jì)算光子晶體反射光譜，提出了一種在銅基底上摻雜氯化鉀的一維硒化鋅/銻化鋁光子晶體“光譜挖孔”方法實(shí)現(xiàn)了激光與紅外的兼容隱身，為后續(xù)研究提供了重要參考。

2009年，劉必鎏等[24]設(shè)計(jì)了一種摻雜硒化鋅的一維硒化鎘/二氧化硅光子晶體。該晶體在波長(zhǎng)1.06 μm處的光譜吸收率為94.7%，在波長(zhǎng)10.60 μm處的光譜吸收率為94.6%，在波長(zhǎng)8.00～14.00 μm的其他范圍中的光譜反射率大于95.0%，可以滿足激光/紅外兼容隱身的要求。

2010年，高永芳等[25]選擇紅外波段透明的材料A和B，利用薄膜光學(xué)理論中的特征矩陣模型，設(shè)計(jì)出了一種紅外/激光兼容隱身的光子晶體。該光子晶體在波長(zhǎng)10.60μm處反射率幾乎為0，在遠(yuǎn)紅外波段反射率接近100%，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的“光譜挖孔”效果，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外和波長(zhǎng)10.60 μm激光的兼容隱身，如圖4所示。

2011年，Zhao等[26]通過(guò)在1.06 μm和10.60 μm的軍用激光波長(zhǎng)處形成摻雜光子晶體的“挖孔”，構(gòu)建了一種碲化鉛和冰晶石一維雙缺陷異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體。該晶體材料在1.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm兩個(gè)紅外波段的光譜反射率大于99%，在波長(zhǎng)1.06 μm和10.60 μm處的光譜透射率大于96%，基本實(shí)現(xiàn)了近、中、遠(yuǎn)紅外多波段的激光/紅外兼容隱身。

2016年，Miao等[27]在硅片上交替沉積碲、硒化鋅和硅材料，制備了一種異質(zhì)摻雜一維光子晶體。紅外光譜測(cè)試結(jié)果表明，該光子晶體對(duì)紅外大氣窗口波段和二氧化碳激光具有低反射率，很好地做到了紅外/激光兼容隱身。

同年，張繼魁等[28]利用碲和氟化鎂設(shè)計(jì)出了一種摻雜鍺的一維光子晶體薄膜(見(jiàn)圖5)。這種具有“光譜挖孔”特性的光子晶體材料可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)1.06 μm和1.54 μm激光與紅外兼容隱身。

同年，Wang等[29]利用真空鍍膜方法在剛性硅基板和柔性塑料聚笨乙烯與滌綸(PET)基板上制備出了一種光子晶體薄膜(見(jiàn)圖6～圖8)，通過(guò)薄膜光學(xué)理論的特征矩陣方法實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外和波長(zhǎng)10.60 μm的激光兼容隱身。該研究為制造用于遠(yuǎn)紅外線和激光兼容隱身應(yīng)用的光子晶體薄膜提供了新的材料，具有高柔韌性和優(yōu)異的偽裝兼容性。

2017年，易怡等[30]采用紅外波段的透明材料碲化鉛和氟化鋇，并借助薄膜光學(xué)理論中的特征矩陣模型，設(shè)計(jì)出了一款對(duì)于正入射的近、中、遠(yuǎn)紅外光與波長(zhǎng)1.06 μm和10.60 μm激光，能同時(shí)滿足激光/紅外兼容隱身要求的復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體。

從以上文獻(xiàn)中的報(bào)道可以看出，利用光子晶體的光子禁帶與光子局域的協(xié)同作用可以實(shí)現(xiàn)激光/紅外兼容隱身，但是目前實(shí)驗(yàn)較為成功的都是一維光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。而二維光子晶體和三維光子晶體也具有光子局域特性和優(yōu)勢(shì)，但是在紅外大氣窗口波段上實(shí)現(xiàn)低輻射的同時(shí)，在激光波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)“光譜挖孔”的二維或三維光子晶體還未見(jiàn)報(bào)道。因此光子晶體在激光/紅外兼容隱身方面還有很大的發(fā)展空間。

3 雷達(dá)/紅外兼容隱身研究進(jìn)展

雷達(dá)隱身材料是通過(guò)衰減吸收、偏轉(zhuǎn)雷達(dá)回波等方法降低雷達(dá)散射截面積，要求對(duì)雷達(dá)波高吸收、低反射或高透射；而紅外隱身材料則是依靠降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外隱身的，要求對(duì)紅外波段低吸收率、高反射率[31]。如果某種材料對(duì)于紅外波段的電磁波具有低吸收/高反射的特性，而對(duì)其他波段的電磁波具有低反射/高透射的特性，則這種材料就能較好地滿足雷達(dá)/紅外兼容隱身的要求。

早在20世紀(jì)80年代，國(guó)外利用摻雜氧化物半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)/紅外復(fù)合隱身[32]。近些年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)一些包覆金屬粉末的復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出了多層膜結(jié)構(gòu)的復(fù)合隱身材料。但是，將含金屬粉末和半導(dǎo)體材料的紅外隱身涂料涂覆于雷達(dá)隱身材料表面時(shí)，對(duì)雷達(dá)波段電磁波具有一定的反射效果，影響雷達(dá)隱身材料的吸波性能；將雷達(dá)吸波材料涂覆在紅外隱身涂料外面時(shí)，又會(huì)由于雷達(dá)吸波材料在紅外波段的吸收作用提高紅外波段的輻射效應(yīng)，因此紅外/雷達(dá)的完全兼容一直難以實(shí)現(xiàn)[33]。

光子晶體以其獨(dú)特的光子禁帶效應(yīng)為雷達(dá)/紅外兼容隱身提供了新的思路。由于大多數(shù)雷達(dá)工作在1～15 GHz的微波頻率范圍內(nèi)，即波長(zhǎng)在2～30 cm之間，與3.00～5.00 μm和8.00～14.00 μm這兩個(gè)紅外“大氣窗口”沒(méi)有交集。因此可以利用雷達(dá)波高透射材料組成禁帶在紅外“大氣窗口”的光子晶體，從而既可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波段的高透射，又可以做到紅外波段的低輻射，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外兼容隱身。

2014年，Wang等[34]利用鍺和硫化鋅介質(zhì)層交替制備了一種一維雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體(見(jiàn)圖9)。該晶體在3.00～5.00 μm和8.00～12.00 μm兩個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率分別低至7.3%和4.2%. 此外，該光子晶體在雷達(dá)波段是高透射的，將這個(gè)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)與雷達(dá)吸波材料結(jié)合起來(lái)，完全可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外兼容隱身。

綜上所述可見(jiàn)，利用光子晶體紅外低輻射特性實(shí)現(xiàn)紅外隱身的同時(shí)，還可以利用其對(duì)雷達(dá)波的高透過(guò)性，將其與微波吸收材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外兼容隱身。只是目前國(guó)內(nèi)雷達(dá)/紅外兼容隱身光子晶體主要圍繞一維光子晶體展開(kāi)，后續(xù)應(yīng)該向二維、三維光子晶體方向多進(jìn)行積極的探索。

4 可見(jiàn)光/紅外兼容隱身研究進(jìn)展

軍事目標(biāo)的可見(jiàn)光隱身主要是針對(duì)人眼的目視、照相以及攝像等觀測(cè)手段所采取的隱身技術(shù)[35]。紅外偵察是通過(guò)測(cè)量分析目標(biāo)的紅外輻射對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，利用目標(biāo)與背景紅外輻射的差別來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。可見(jiàn)光和近紅外兼容隱身材料的光譜特性應(yīng)與背景特征盡量一致，不同背景之間顏色不同，光譜特征也完全不同。

2016年，Qi等[36]首次對(duì)基于鍺/硫化鋅的可見(jiàn)/紅外兼容隱身一維光子晶體開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。該光子晶體在3.00～5.00 μm紅外大氣窗口波段上的平均反射率為95.1%，平均發(fā)射率為5.4%，滿足了中紅外隱身的要求。利用薄膜等傾角干涉理論設(shè)計(jì)了4種不同顏色的光子晶體，通過(guò)改變表面層的厚度，在制備的光子晶體上實(shí)現(xiàn)了卡其色、棕色、深藍(lán)色和青色4種顏色(見(jiàn)圖10)，為紅外/可見(jiàn)兼容隱身提供了一個(gè)可行的技術(shù)途徑。

目前的可見(jiàn)光隱身主要通過(guò)多色迷彩圖案實(shí)現(xiàn)，而可見(jiàn)光與紅外兼容隱身主要通過(guò)制備多種顏色的光子晶體紅外隱身材料實(shí)現(xiàn)。但是由于受到制備技術(shù)的限制，目前光子晶體可見(jiàn)光/紅外兼容隱身材料僅對(duì)一維光子晶體進(jìn)行了探索，二維、三維光子晶體鮮有報(bào)道。

5 多波段兼容隱身研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)光子晶體在多波段兼容隱身方面研究的主要思路，是將前述4種兼容隱身進(jìn)行合理的組合。但是主要還是以一維光子晶體為基礎(chǔ)，通過(guò)改變構(gòu)成光子晶體的材料種類(lèi)、膜的層數(shù)周期、膜的厚度等方法實(shí)現(xiàn)在不同波段呈現(xiàn)不同的反射、輻射特性，從而達(dá)到多波段兼容隱身的目的[37]。

2012年，王超等[38]從可見(jiàn)光、紅外以及雷達(dá)等多波段兼容隱身機(jī)理出發(fā)，以光子晶體這種新型材料為基礎(chǔ)材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使3個(gè)波段的隱身實(shí)現(xiàn)了兼容(見(jiàn)圖11)，突破了以往多頻段兼容隱身材料性能兼容的瓶頸，為今后開(kāi)發(fā)新型多波段兼容隱身材料提供了新的思路。

同年，南京理工大學(xué)韓玉閣等[39]將銀膜和硫化鋅膜層層疊加構(gòu)成的膜系結(jié)構(gòu)與以碳化硅“蛾眼”為基礎(chǔ)構(gòu)成的錐臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)合并優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一種較好的多波段兼容隱身復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光、中遠(yuǎn)紅外、波長(zhǎng)1.00 μm和10.60 μm激光等多波段的兼容隱身，具有靈活的光譜控制特性。

2015年，苗雷等[40]根據(jù)薄膜理論，采用電子束蒸發(fā)、薄膜沉積等技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一種在3.00～5.00 μm波段紅外隱身，同時(shí)兼容0.90 μm、1.06 μm和10.60 μm激光波段的光子晶體，在一定程度上達(dá)到了中紅外與多波段激光兼容隱身的要求。

2016年，Wang等[41]在研究太赫茲波在遠(yuǎn)紅外二氧化碳激光兼容隱身光子晶體涂層中的傳輸特性時(shí)，制備了一種由鍺和硒化鋅構(gòu)成、摻雜硅的一維光子晶體，結(jié)構(gòu)如圖12所示。該光子晶體在實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外與二氧化碳激光兼容隱身的同時(shí)，又對(duì)太赫茲波具有很好的透射性，為紅外/激光/雷達(dá)兼容隱身光子晶體材料的制備提供了很好的思路。

2017年，Zhang等[42]進(jìn)一步研究了利用鍺和硒化鋅制備的摻雜硅結(jié)構(gòu)一維光子晶體，實(shí)現(xiàn)了8.00～14.00 μm波段和波長(zhǎng)10.60 μm的激光/紅外兼容隱身，再與雷達(dá)吸波材料結(jié)合制成了多波段兼容隱身材料，可實(shí)現(xiàn)8.00～14.00 μm遠(yuǎn)紅外大氣窗口波段和波長(zhǎng)10.60 μm激光的紅外/激光/雷達(dá)兼容隱身。

當(dāng)前對(duì)于多波段兼容隱身方面的研究，大多數(shù)成果還集中在一維光子晶體上。雖然無(wú)論制備還是摻雜或者“挖孔”，一維光子晶體都有其簡(jiǎn)單易行的優(yōu)勢(shì)，但是也正因?yàn)橐痪S光子晶體只有層層堆疊單一的制備形式，才限制了光子晶體在多波段兼容隱身方面的發(fā)展，建議后續(xù)加強(qiáng)二維和三維光子晶體在多波段兼容隱身方面的應(yīng)用研究。

6 光子晶體材料在隱身領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

光子晶體材料在隱身領(lǐng)域最主要的發(fā)展趨勢(shì)就是向智能隱身材料方向發(fā)展。智能隱身材料又稱(chēng)自適應(yīng)隱身材料，是一種具有自動(dòng)感知功能、信息自動(dòng)處理功能、自我發(fā)出指令并能作出最佳響應(yīng)的材料。它可以通過(guò)溫度感知材料(如變溫材料)、濕度響應(yīng)材料(如吸水、縮水材料等)、磁致伸縮材料、電致伸縮材料或化學(xué)響應(yīng)材料等隨某一變量自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)改變，從而達(dá)到自適應(yīng)隱身的效果[43-45]。智能隱身材料的出現(xiàn)推動(dòng)了光子晶體隱身材料的發(fā)展，預(yù)期通過(guò)材料的智能調(diào)節(jié)能夠同背景達(dá)到更好的融合效果。

在磁場(chǎng)響應(yīng)光子晶體方面，2007年Ge等[46-47]利用聚丙烯酸酯與磁性納米顆粒(Fe3O4)制備的膠體光子晶體對(duì)磁場(chǎng)具有快速、靈敏的響應(yīng)的特性，實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的全波長(zhǎng)磁場(chǎng)調(diào)控。該結(jié)構(gòu)為智能隱身材料在可見(jiàn)光隱身方面的應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路。

在電場(chǎng)響應(yīng)光子晶體方面，2008年P(guān)uzzo等[48]制備出了一種具有電活性的反蛋白石光子晶體膜(見(jiàn)圖13)。該膜以摻錫氧化銦(ITO)膜為載體，得到了一種反射率受電場(chǎng)調(diào)控的聚合物膜材料。施加不同的電壓，該材料可呈現(xiàn)不同的顏色。如果將該調(diào)控范圍擴(kuò)展到紅外波段，則預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較好的智能紅外隱身效果。

對(duì)于化學(xué)響應(yīng)光子晶體，2013年P(guān)han等[49]利用魷魚(yú)皮膚中提取的含有反光蛋白質(zhì)的血小板制備了一種光子晶體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在醋酸溶液的刺激下，血小板的厚度和間距會(huì)發(fā)生變化，從而使皮膚反射不同的光線(見(jiàn)圖14)。該結(jié)構(gòu)對(duì)光波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍達(dá)400 nm以上，覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光波段甚至近紅外波段，從而實(shí)現(xiàn)紅外隱身。

總之，智能隱身技術(shù)是未來(lái)隱身領(lǐng)域重要的研究方向[50]。隨著新材料的不斷出現(xiàn)和新型制備技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，隨外界化學(xué)刺激、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等而改變發(fā)射率的材料，必然會(huì)在智能隱身研究中占有一席之地[51-55]。

7 總結(jié)與展望

本文歸納了光子晶體應(yīng)用于多波段兼容隱身領(lǐng)域的新進(jìn)展和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，并針對(duì)光子晶體隱身材料對(duì)寬禁帶的高反射、多波段兼容、動(dòng)態(tài)調(diào)整等需求，提出了相應(yīng)的解決思路，現(xiàn)總結(jié)如下：

1)多波段兼容隱身仍是隱身技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)多波段兼容隱身，首先要考慮兩種隱身手段之間的關(guān)聯(lián)和共通點(diǎn)。對(duì)于紅外/激光兼容隱身材料，除了保證相應(yīng)波段的高反射率之外，還要考慮采用摻雜或“挖孔”等手段保證某個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)處的高透射率來(lái)實(shí)現(xiàn)兼容隱身。對(duì)于紅外/雷達(dá)兼容隱身技術(shù)，主要是研制透雷達(dá)波的紅外隱身光子晶體。隨著科技的發(fā)展、研究的深入，可以考慮微波、太赫茲波、可見(jiàn)光、激光等與紅外波段的多頻段兼容隱身。

2)多種隱身材料相結(jié)合，如光子晶體薄膜、雷達(dá)吸波材料、迷彩涂料等多種材料結(jié)合成復(fù)合型隱身材料。由多層不同功能的隱身材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，合理利用每一層的排布關(guān)系，可以提高目標(biāo)的多波段兼容隱身效率。

3)隨著新材料的不斷涌現(xiàn)和新技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)多嘗試用新材料來(lái)設(shè)計(jì)制備光子晶體。例如，光子晶體中摻雜半導(dǎo)體材料，或用半導(dǎo)體材料做反蛋白石光子晶體；光子晶體與空心導(dǎo)電微珠或?qū)щ姼呔畚锵嘟Y(jié)合，有望提高隱身材料的吸波效能。

綜上所述，光子晶體材料在隱身領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)逐漸向“多波段、全方位、多功能、低成本”的方向發(fā)展。從光子晶體概念的提出到現(xiàn)在只有短短的30年，當(dāng)前對(duì)于光子晶體材料在隱身領(lǐng)域的研究還主要停留在如何實(shí)現(xiàn)材料的多波段兼容隱身波譜特征，尚未進(jìn)入應(yīng)用階段。盡管距離光子晶體材料在武器裝備上的成熟應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走，但隨著科技的不斷進(jìn)步、對(duì)光子晶體研究的不斷深入，光子晶體因其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性、禁帶的可調(diào)整性、光子局域與光子禁帶等優(yōu)異特點(diǎn)，未來(lái)必將在多波段兼容隱身領(lǐng)域大放異彩。