基于毫米級Au紅外輻射抑制頻率選擇表面的設(shè)計

基于頻率選擇表面（FSS）的紅外輻射調(diào)控被認(rèn)為是解決熱污染、實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實驗室的科研團(tuán)隊在《光學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“基于毫米級Au紅外輻射抑制頻率選擇表面的設(shè)計與制備”為主題的文章。該文章第一作者為李晨曦，通訊作者為李享成。

本文基于時域有限差分法（FDTD）和參數(shù)掃描法，仿真設(shè)計并優(yōu)化了一種單層方形頻率選擇表面。在頻率選擇表面結(jié)構(gòu)中引入高導(dǎo)電金屬材料Au，利用其高占空比和導(dǎo)帶自由價電子躍遷消耗入射光能量以共同增強(qiáng)紅外反射。

設(shè)計與仿真

毫米級頻率選擇表面紅外發(fā)射光譜計算模型

隨著信號探測技術(shù)的高速發(fā)展，頻率選擇表面在光波、電磁波、聲波等領(lǐng)域內(nèi)的兼容性應(yīng)用備受關(guān)注。為了實現(xiàn)多頻段選擇性調(diào)控，針對頻率選擇表面的頻域響應(yīng)模擬成為關(guān)鍵一環(huán)。然而，考慮到制備工藝和工程應(yīng)用因素，紅外/雷達(dá)、紅外/可見光/雷達(dá)兼容頻率選擇表面的設(shè)計與制備基本維持在毫米級尺度，跨越多數(shù)量級的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)無法直接通過仿真軟件計算得到，針對求解毫米級模型紅外光譜響應(yīng)的問題尚未得到解決。

毫米級頻率選擇表面厚度對紅外反射率的影響

本文提出一種毫米級紅外頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，選用高電導(dǎo)率材料金（Au）作為紅外反射層，紅外透明材料石英玻璃（SiO?）作為基底。為了確定各層合適厚度，采用FDTD對Au、SiO?進(jìn)行全波數(shù)值模擬。

圖1 FDTD擬合得到的紅外介電常數(shù)實部和虛部：（a）Au；（b）SiO?

基于圖1光學(xué)介電常數(shù)模型，研究了電磁波正入射至不同厚度薄膜表面時的反射光譜，分別如圖2、3所示。圖2模擬了厚度為0.05~5 μm的Au薄膜紅外反射光譜，圖3模擬了厚度為0.1~8 μm的SiO?薄膜紅外反射光譜，以探究材料厚度對紅外反射率的影響。

圖2 不同厚度的Au薄膜紅外反射光譜仿真結(jié)果

圖3 不同厚度SiO?薄膜的紅外反射光譜仿真結(jié)果

毫米級頻率選擇表面結(jié)構(gòu)設(shè)計與紅外反射光譜仿真計算

上述研究結(jié)果驗證了調(diào)節(jié)厚度可以影響紅外反射率的變化，從而導(dǎo)致吸收強(qiáng)度和諧振帶寬的變化，由此可確定Au、SiO?的厚度分別為0.1 μm、1 mm。另外，方形貼片具有優(yōu)良的可加工性和較大占空比，利于提高紅外反射率，故本文設(shè)計了兩個相同占空比（81%）、不同尺寸的Au方形頻率選擇表面AFSS1和AFSS2模型，其邊長、單元間隔分別為1 w =0.45 mm、1 g =0.05 mm及2 w =0.90 mm、2 g =0.10 mm，如圖4（a）所示。在FDTD仿真軟件中將頂層Au和玻璃基底構(gòu)成的方形頻率選擇表面分為四個區(qū)域（A1~A4），如圖4（b）所示。

圖4 大尺寸Au頻率選擇表面三維結(jié)構(gòu)示意圖

將光源設(shè)置在距離頂層一個波長的位置，反射監(jiān)視器介于光源與FDTD之間，仿真得到各區(qū)域的紅外反射光譜如下圖5（a）所示。

圖5 紅外反射光譜的仿真結(jié)果

實驗與驗證

紅外頻率選擇表面制備與表征

為驗證理論模型的計算結(jié)果，采用磁控濺射設(shè)備（FJL500）制備了AFSS樣品。以石英玻璃（SiO?）作為襯底（厚度1 mm），將其分別在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗15 min，清洗過程有利于去除吸附的雜質(zhì)。采用聚酰亞胺膠帶將不銹鋼掩膜版固定在潔凈玻璃襯底中心，隨后移置于正對Au靶上方的樣品臺中央，打開功率源將真空腔室預(yù)抽真空至1×10?? Pa。采用偏光顯微鏡（Axioskop40）拍攝得到AFSS1、AFSS2的光學(xué)圖片，分別如圖6（c）和（d）所示。

圖6 兩種頻率選擇表面的紅外光譜的仿真與測試結(jié)果

紅外光譜響應(yīng)分析

為研究頻率選擇表面紅外輻射抑制性能，本文使用FTIR（Spectrum-100）表征了AFSS1、AFSS2的紅外反射率光譜（2~16 μm），從圖6（a）~（b）可以看出，F(xiàn)DTD 模擬的紅外反射光譜在8~10 μm內(nèi)具有“針尖”反射峰在實測紅外反射光譜8.5~11 μm范圍內(nèi)同樣出現(xiàn)了該現(xiàn)象。與仿真結(jié)果相比，實測得到的紅外反射光譜向長波方向輕微紅移，反射曲線向上移動。表1比較了本文設(shè)計的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)與部分文獻(xiàn)報道的紅外輻射性能。

表1 相關(guān)紅外頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的性能對比

結(jié)論

本文提出的計算模型可實現(xiàn)毫米級頻率選擇表面的紅外發(fā)射光譜響應(yīng)。此外，基于上述模型制備了一種寬帶低發(fā)射率輻射抑制頻率選擇表面，利用高填充率方形陣列和高電導(dǎo)率材料Au的導(dǎo)帶自由價電子躍遷進(jìn)行熱輻射抑制調(diào)控。結(jié)果表明：所制備樣品AFSS1、AFSS2在2~16 μm內(nèi)平均紅外發(fā)射率分別為0.152和0.174，即在相同占空比下，單元邊長小、排列緊密的陣列具有較優(yōu)的紅外輻射抑制特性。本文測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，設(shè)計的毫米級Au頻率選擇表面計算模型在寬頻帶低紅外輻射抑制領(lǐng)域具有較大可行性，為定量與定性兩個維度共同設(shè)計能量轉(zhuǎn)換、熱管理器件提供了一種新的思路。

審核編輯：劉清