一种基于分层设计的双光谱动态隐身结构

1.本实用新型属于多光谱伪装技术领域，具体是涉及到一种基于分层设计的双光谱动态隐身结构，可以实现对于8-14微米红外吸收光谱和2-18ghz微波吸收光谱的分立动态调控。


背景技术：

2.随着当代探测手段和频谱分析技术的不断发展及普及，对于目标物的识别方法已从早期的通信波段（2-18ghz）向着多光谱范围，多测量手段的方向发展。光谱识别的范围已经从原有的通讯波段扩展至可见光波、红外光波、微波和太赫兹波等波段范围。探测手段也更加成熟并且日益多样，其中就包括通讯雷达探测、激光雷达探测、热成像等多种目标探测的手段。这使得人们可以通过多种手段、多个光谱范围对目标物进行探测和识别。特别是在漆黑的夜晚，通过雷达探测和红外成像等手段，人们就可以像猫头鹰一样在夜间依然具有敏锐的“视觉”。作为目标物识别的对立面，相比于日趋成熟和多样的成像和探测手段，隐身的发展还存在很大差距。因此，对于多光谱隐身手段的需求也随着探测手段的扩展而变得更加迫切。
3.对于微波隐身的研究已经具有相当长的历史，由于雷达等测试手段的基本原理，微波隐身采用的一般方法多采用吸波的方法实现。早期，为了实现微波吸波，大多采用salisbury屏的设计原理。然而，这种设计原理本身要求结构尺寸与波矢相匹配，这导致难以实现大带宽的完美吸收。自2008年n. i. landy, s. sajuyigbe, j. j. mock, d. r. smith and w. j. padilla. perfect metamaterial absorber[j]，physical review letter（2008），首次提出超材料完美吸收的概念以来，通过结构化的图案实现宽带完美吸收的研究引起了人们的关注。然而这种图案化的方法并不利于大规模加工，并且这种精细化的结构设计也对现有加工工艺提出了挑战。此外，这些微波完美吸收体大多是通过图案化金属结构实现的。因此，这些微波完美吸收体缺乏工作带宽及带宽内吸收率的可调性。近年来，利用空间波阻抗匹配的方法和传输线理论，基于石墨烯的超材料实现可调宽带吸收引起了学者们的广泛关注。由于石墨烯的电导率可以通过栅极电压调控，这使得基于石墨烯材料的微波可调宽带吸波成为可能。虽然已出现对于多光谱兼容的石墨烯可调吸收材料m. said ergoktas
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, gokhan bakan, evgeniya kovalska, et al. multispectral graphene-based electro-optical surfaces with reversible tunability from visible to microwave wavelengths, nature photonics（2021），但是由于整个结构的光谱特性都是随着石墨烯费米能级的变化实现的，这导致结构的全光谱特性同时发生改变。这并不满足多光谱伪装的需求，因此这种研究对于实现多光谱动态隐身的应用依然具有较大差距。
[0004]
相比于微波隐身所需要的微波吸波材料，红外伪装的基本原理恰恰相反，它需要目标物在探测波段的低吸收率（发射率）。根据斯特藩玻尔兹曼定律，物体的热辐射功率与发射率和温度的四次方成正比。现有的红外成像设备多是根据这一定律通过测定中红外大
气窗口范围内（8-14微米）的辐射功率进而反解目标物的温度信息。之所以选择这一波段，一方面是因为对于室温（300k）附近的物体其辐射能大多分布于这一波段，另一方面是由于中红外大气窗口的存在使得这一波段的光波可以在空气中长距离传输而不被损耗，这有利于实现远距离的热成像。由此可知，实现对于红外成像的伪装就需要尽可能降低温度或者降低目标物的在窗口波段的发射率。降低温度是最为直观的方法，但是，对于温度的调控十分具有挑战。调节目标物的发射率被认为是更具可行性的方法，早期降低发射率的方法多利用金属薄层（具有低的窗口波段发射率）实现静态热伪装。然而，这种静态热伪装方案一方面由于对整个红外波段的低发射率导致了热的聚集——整个结构的热量难以通过热辐射的方式耗散，这并不利于整个结构的热稳定性。另一方面，这种静态热伪装结构的设计缺乏一定的可调性，这导致难以适应多变的环境，在温差变化较大的环境中更易暴露，成为瞄准的“靶心”。此外，对于背景温度高于目标物的情况，这种热伪装就会“失效”。因此，动态热伪装是更加具有发展潜力的热伪装方式。
[0005]
虽然，在微波波段和红外波段应对探测手段都提出了一些隐身的解决方案，如中国专利cn112009039a 公开了一种具有宽频微波吸收、红外低发射率和散热性能优异等特性，可实现红外与微波兼容低可探测性的结构材料，但是少有报道如何实现同时针对于这两个波段的动态隐身手段，特别是针对于这两个波段的双光谱独立可调伪装结构。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型要解决的技术问题是针对实现中红外和微波两个波段的多光谱伪装问题，提供一种成本低、适应性强、能实现不同光谱的分立动态调控的基于分层设计的双光谱动态隐身结构。
[0007]
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下，一种基于分层设计的双光谱动态隐身结构，包括从上到下依次层叠的中红外相变光栅层、中间介质过渡层和微波阻抗匹配层；所述中红外相变光栅层为周期性排列于中间介质过渡层上表面的正方形凸起，用于红外光的吸收，所述正方形凸起包括从上到下层叠设置的中红外相变层和中红外反射层，所述中红外相变层材质为相变材料，所述中红外反射层材质为金属材料；所述中间介质层设置于中红外相变光栅层与微波阻抗匹配层之间，用于实现由红外光谱调制到微波光谱调制的转变；所述微波阻抗匹配层包括从上到下依次层叠的石墨烯薄膜、高阻层、第一间隔层、损耗层、第二间隔层和微波反射层，所述第一间隔层和第二间隔层均为微波透明材料，所述微波反射层的材质为金属材料，通过栅极电压调控石墨烯薄膜的方阻，实现微波阻抗匹配层对微波吸收光谱的调控。
[0008]
优选地，所述中红外相变层为硫系相变材料，其厚度h1在100nm-800nm之间；所述中红外反射层的厚度h2在50nm-300nm之间；所述正方形凸起的边长w为0.6μm
ꢀ‑
3μm，正方形凸起阵列的周期p为2μm-5μm；所述中间介质过渡层为透明介质材料，其厚度h3的范围在0.1mm-1mm之间。
[0009]
优选地，所述石墨烯薄膜的方阻范围为120-700ω/sq，其厚度h1的范围在50μm-200μm；所述高阻层为喷涂有高阻导电油墨的聚酰亚胺薄膜，高阻层的方阻ω1范围为2000-8000ω/sq，所述损耗层为喷涂有低阻导电油墨的聚酰亚胺薄膜，损耗层的方阻ω2的范围在100-500ω/sq，高阻层和损耗层的厚度均为h2，h2的范围为20μm
ꢀ‑
100μm；所述第一间隔层
和第二间隔层的厚度均为h3，厚度h3的范围在3mm-100mm。
[0010]
优选地，所述正方形凸起阵列的周期p=3μm，正方形凸起的边长w=1.8μm，所述中红外相变层为ge2sb2te5，厚度h1=440nm，所述中红外反射层为金，厚度h2=200nm，所述中间介质过渡层为二氧化硅，厚度h3=0.2mm，所述石墨烯薄膜的厚度h1=200μm，所述高阻层的方阻ω1=5000ω/sq，所述损耗层的方阻ω2=250ω/sq，厚度h2=50μm，所述第一间隔层和第二间隔层的材质均为聚乙烯，厚度h3=7.5mm。
[0011]
优选地，所述石墨烯薄膜包括pet基底，所述pet基底上设有1-5层石墨烯。
[0012]
优选地，所述pet基底，所述pet基底上设有三层石墨烯。
[0013]
优选地，所述硫系相变材料为ge2sb2te5、ge3sb2te6或gete。
[0014]
优选地，所述中红外反射层为金、银、铜、铬或钨。
[0015]
优选地，所述中间介质过渡层为二氧化硅、二氧化钛或硫化锌。
[0016]
优选地，所述微波反射层的材质为为金、银、铜、铬或钨。。
[0017]
本实用新型提供的基于分层设计的双光谱动态隐身结构是多层层叠的伪装隐身结构，入射光照下中红外相变光栅层，基于f-p腔谐原理产生对于中红外光的共振峰，进而实现对于红外光的吸收；由于中红外和微波两个波段光波波长的明显数量级差异，所设计的中红外相变光栅结构可以使微波电磁波透射至中间过渡介质层并继续传播至微波阻抗匹配层；在微波阻抗匹配层，利用阻抗匹配的原理，所设计微波吸波器的阻抗可以与空间阻抗相匹配，进而实现微波的宽带吸收。相比于传统的伪装隐身结构，本实用新型通过调控相变材料的相变状态，可以实现中红外吸收光谱的调控；通过栅极电压调控石墨烯电导率，可以实现对于微波光谱吸收光谱的调控。具有以下优点：
[0018]
1、单个结构实现多光谱的动态伪装，相比于传统静态伪装隐身结构具有更强的伪装环境的适应性。
[0019]
2、该结构可以实现不同光谱的分立动态调控，具体指所设计器件的红外吸收光谱与微波吸收光谱通过分层变化单独调控、互不干扰，这大大增强多光谱伪装的实用性。
[0020]
3、多层结构不需要过多的图案化结构设计，这将使得所设计的伪装隐身结构更符合大面积制备和加工的需要，能降低成本。
附图说明
[0021]
图1为本实用新型其中一实施例的结构示意图。
[0022]
图2为图1所示实施例的功能层详细结构图，图2（a）为中红外相变光栅层的结构示意图；图2（b）为微波阻抗匹配层的结构示意图。
[0023]
图3为图1所示实施例的整体构型结构图。
[0024]
图4为图1所示实施例的原理图；图4（a）为中红外吸收光谱随相变材料相变状态变化的示意图；图4（b）为微波阻抗匹配层吸收率的变化示意图；图4（c）为微波阻抗匹配层反射率的变化示意图。
[0025]
图5为图1所示实施例的中红外谐振峰处电场图和欧姆阻抗图。
[0026]
图6为图1所示实施例的微波部分等效电路和有限时域差分法吸收光谱的对比图。
[0027]
在图中，a、中红外相变光栅层；b、中间介质过渡层；c、微波阻抗匹配层；10、中红外相变层；11、中红外反射层；20、石墨烯薄膜；21、高阻层；22、第一间隔层；23、损耗层；24、第
二间隔层；25、微波反射层；。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明：
[0029]
请一并参阅图1和图2，本实施例提供的基于分层设计的双光谱动态隐身结构，包括从上到下依次层叠的中红外相变光栅层a、中间介质过渡层b和微波阻抗匹配层c；所述中红外相变光栅层a为周期性排列于中间介质过渡层b上表面的正方形凸起，正方形凸起形成的中红外相变光栅构型用于红外光的吸收，所述正方形凸起包括从上到下层叠设置的中红外相变层10和中红外反射层11，所述中红外相变层10材质为具有相变特性的相变材料，所述中红外反射层11为用于反射红外光的金属材料；所述中间介质层b设置于中红外相变光栅层a与微波阻抗匹配层c之间，用于支撑中红外相变光栅层a并使得中红外相变光栅层a与微波阻抗匹配层c间隔开来，进而实现由红外光谱调制到微波光谱调制的转变；所述微波阻抗匹配层c包括从上到下依次层叠的石墨烯薄膜20、高阻层21、第一间隔层22、损耗层23、第二间隔层24和微波反射层25，所述高阻层21和损耗层23是利用导电油墨喷涂至聚酰亚胺薄膜制备而成的，导电油墨的主要成分为碳浆；所述第一间隔层22和第二间隔层24均为微波透明材料，所述微波反射层25的材质为金属材料，用于反射可能接收到的电磁波；所述石墨烯薄膜20是通过化学气相沉积（cvd）制备于铜基底的单层石墨烯转移在pet基底上，pet基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯，化学式为(c
10
h8o4)n，通过栅极电压调控石墨烯薄膜20的方阻，实现对于微波吸收光谱的调控。
[0030]
由于中红外波段和微波波段之间的相差3-5个数量级，这必然导致在操控两个波段光谱特性的结构尺寸上存在较大差异。这种结构尺寸的差异将带来各个结构之间功能的不相干性——中红外光谱特性操控的结构不能实现对于微波特性的操控。针对实现中红外和微波两个波段的多光谱伪装问题，提出了分层设计的概念——针对波长具有明显数量级差异的入射波长的多光谱兼容问题，通过分多个层级分别实现特定波长实现相应的功能。
[0031]
所述的相变材料为固体，其相变状态可以通过外加电、光、热等方式进行诱导调控，在相变过程中，相变材料gst的特性由中红外透明介质向中红外有损耗材料变化，进而实现中红外吸收特性的调控。所述的石墨烯薄膜可以通过离子液浸没和栅极电压相结合的方式进行调控，改变其电导率，进而调控微波吸收特性。中红外相变层10和石墨烯薄膜在调控方式上是单独设计的，因此能实现独立调控，进而实现多光谱的分立动态调控，调制幅度也十分可观。
[0032]
入射光照下中红外相变光栅层，基于f-p腔谐原理产生对于中红外光的共振峰，进而实现对于红外光的吸收；由于中红外和微波两个波段光波波长的明显数量级差异，所设计的中红外相变光栅结构可以使微波电磁波透射至中间过渡介质层并继续传播至微波阻抗匹配层；在微波阻抗匹配层，利用阻抗匹配的原理，所设计微波吸波器的阻抗可以与空间阻抗相匹配，进而实现微波的宽带吸收。相比于传统的伪装隐身结构，本实用新型通过调控相变材料的相变状态，可以实现中红外吸收光谱的调控；通过栅极电压调控石墨烯电导率，可以实现对于微波光谱吸收光谱的调控。具有以下优点：
[0033]
1、单个结构实现多光谱的动态伪装，相比于传统静态伪装隐身结构具有更强的伪装环境的适应性。
[0034]
2、该结构可以实现不同光谱的分立动态调控，具体指所设计器件的红外吸收光谱与微波吸收光谱通过分层变化单独调控、互不干扰，这大大增强多光谱动态伪装的实用性。
[0035]
3、多层结构不需要过多的图案化结构设计，这将使得所设计的伪装隐身结构更符合大面积制备和加工的需要，能降低成本。
[0036]
对于这种多光谱可调伪装隐身结构的研究，一方面可以解决多光谱隐身中各光谱隐身需求不同的兼容性问题，另一方面这种可调伪装隐身结构展现出广泛的应用前景包括隐身，欺骗和信息传递等多种功能的实现。
[0037]
更具体的，所述中红外相变层10为硫系相变材料，厚度h1在100nm-800nm之间；所述中红外反射层11的厚度h2在50nm-300nm之间；所述正方形凸起的边长w为0.6μm-3μm，正方形凸起阵列的周期p为2μm-5μm；所述中间介质过渡层b为透明介质材料，厚度h3的范围在0.1mm-1mm之间。
[0038]
更具体的，所述石墨烯薄膜20的方阻范围为120-700ω/sq，厚度h1的范围在50μm-200μm；所述高阻层21为喷涂有高阻导电油墨的聚酰亚胺薄膜，高阻层21的方阻ω1范围为2000-8000ω/sq，损耗层23为喷涂有低阻导电油墨的聚酰亚胺薄膜，损耗层23的方阻ω2的范围在100-500ω/sq，高阻层21和损耗层23的厚度均为h2，h2的范围为20μm
ꢀ‑
100μm；所述第一间隔层22和第二间隔层24的厚度均为h3，厚度h3的范围在3mm-100mm。
[0039]
更具体的，所述石墨烯薄膜20包括pet基底，所述pet基底上设有1-5层石墨烯。
[0040]
更具体的，所述硫系相变材料为ge2sb2te5、ge3sb2te6或gete。
[0041]
更具体的，所述中红外反射层11为金、银、铜、铬或钨。
[0042]
更具体的，所述中间介质过渡层b为二氧化硅、二氧化钛或硫化锌。
[0043]
更具体的，所述微波反射层25的材质为为金、银、铜、铬或钨。
[0044]
上述材料均为已知材料，本实施例记载的技术方案不属于对材料本身提出的改进，而是将这些已知材料应用于本实施例的结构层。
[0045]
实施例一
[0046]
请参阅图3，所述正方形凸起阵列的周期p=3μm，光正方形凸起的边长w=1.8μm。所述中红外相变层10为锗锑碲合金，化学式为ge2sb2te5，厚度h1=440nm。所述中红外反射层11为金，厚度h2=200nm。所述中间介质过渡层b为二氧化硅，厚度h3=0.2mm。
[0047]
所述石墨烯薄膜20是通过化学气相沉积（cvd）制备于铜基底的单层石墨烯经过三次转移，转移在pet基底上的，三层石墨烯构成的等效电容器结构，通过电调控该石墨烯电容器的方阻值（电导率），方阻范围为120-700ω/sq，该结构的总厚度h1的范围在50μm-200μm。所述高阻层21的方阻ω1=5000ω/sq，所述损耗层23的方阻ω2=250ω/sq，厚度h2=50μm，所述第一间隔层22和第二间隔层24的材质均为聚乙烯，厚度h3=7.5mm。
[0048]
图4所示为基于分层设计的多光谱动态伪装结构的原理图。图4（a）所示，给出了中红外吸收光谱随相变材料相变状态变化的示意图，实验测量结果与仿真计算结果十分吻合。随着相变材料由非晶态相晶态转变，整个波长在谐振腔中的能量损耗变大，7.5-14μm波长范围的平均发射率由9%上升至67%。这使得该结构有望通过调控表面红外发射率实现动态红外伪装。图4（b）和4（c）所示，给出了微波吸收光谱随石墨烯电导率变化的示意图。当石墨烯层处于低阻状态（电导率为120ω/sq），微波频谱显示出低吸收（高反射），在微波频谱范围（2ghz-18ghz）内，反射率均高于30%。当石墨烯层处于高阻状态（电导率为700ω/sq），
由于阻抗匹配，微波频谱显示出高吸收（低反射）进而达到微波隐身表面的作用。其中，当入射电磁波处于4ghz-15ghz频率范围时，其光谱的反射率低于5%。特别是，在6ghz和13ghz双频率下，通过切换石墨烯阻抗模式，反射和传输抑制比高达15db。这种双光谱动态调控将产生一些新的动态隐身策略，从而产生一些多光谱伪装和隐身的颠覆性技术。
[0049]
对于中红外的吸收机理以及微波的吸收机理都可以利用阻抗匹配的原理进行定量分析和证明。
[0050]
如图5所示，给出了相变材料处于晶态和非晶态下谐振峰处的电场图和阻抗图。从图中可以看出当相变材料处于非晶态时，虽然红外光谱的吸收（发射）并不明显，但是依然存在一定的吸收（发射）。这种微弱的吸收主要是由于衬底金属材料的强烈欧姆损耗造成的。当相变材料处于晶态（c-gst）时，吸收（发射）主要发生在相变材料中。由于相变材料对于入射光的吸收在发射光谱图4（a）的10μm附近产生了明显的发射。。
[0051]
在图6中，我们给出了有限时域差分法和传输线理论两种方法下的光谱图对比，从图中可以看出石墨烯处于高阻状态和低阻状态会产生明显的微波反射差异，在一定宽谱范围内（4-15ghz），反射抑制比高于10db，实验仿真和理论计算的结果是十分吻合的。
[0052]
本实施例提供的基于分层设计的双光谱动态隐身结构可以实现对于8-14微米红外吸收光谱和2-18ghz微波吸收光谱的分立动态调控。
[0053]
以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。