基于毫米級Au紅外輻射抑制頻率選擇表面的設計

基于頻率選擇表面（FSS）的紅外輻射調控被認為是解決熱污染、實(shí)現雙碳目標的有效途徑。

據麥姆斯咨詢(xún)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(shí)驗室的科研團隊在《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(shí)域有限差分法（FDTD）和參數掃描法，仿真設計并優(yōu)化了一種單層方形頻率選擇表面。在頻率選擇表面結構中引入高導電金屬材料Au，利用其高占空比和導帶自由價(jià)電子躍遷消耗入射光能量以共同增強紅外反射。

設計與仿真

毫米級頻率選擇表面紅外發(fā)射光譜計算模型

隨著(zhù)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)域內的兼容性應用備受關(guān)注。為了實(shí)現多頻段選擇性調控，針對頻率選擇表面的頻域響應模擬成為關(guān)鍵一環(huán)。然而，考慮到制備工藝和工程應用因素，紅外/雷達、紅外/可見(jiàn)光/雷達兼容頻率選擇表面的設計與制備基本維持在毫米級尺度，跨越多數量級的頻率選擇表面結構的頻域響應無(wú)法直接通過(guò)仿真軟件計算得到，針對求解毫米級模型紅外光譜響應的問(wèn)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構，選用高電導率材料金（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)行全波數值模擬。

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

基于圖1光學(xué)介電常數模型，研究了電磁波正入射至不同厚度薄膜表面時(shí)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果

圖3 不同厚度SiO?薄膜的紅外反射光譜仿真結果

毫米級頻率選擇表面結構設計與紅外反射光譜仿真計算

上述研究結果驗證了調節厚度可以影響紅外反射率的變化，從而導致吸收強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，故本文設計了兩個(gè)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(cháng)、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和玻璃基底構成的方形頻率選擇表面分為四個(gè)區域（A1~A4），如圖4（b）所示。

圖4 大尺寸Au頻率選擇表面三維結構示意圖

將光源設置在距離頂層一個(gè)波長(cháng)的位置，反射監視器介于光源與FDTD之間，仿真得到各區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果

實(shí)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果，采用磁控濺射設備（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(guò)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(kāi)功率源將真空腔室預抽真空至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果

紅外光譜響應分析

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，FDTD 模擬的紅外反射光譜在8~10 μm內具有“針尖”反射峰在實(shí)測紅外反射光譜8.5~11 μm范圍內同樣出現了該現象。與仿真結果相比，實(shí)測得到的紅外反射光譜向長(cháng)波方向輕微紅移，反射曲線(xiàn)向上移動(dòng)。表1比較了本文設計的頻率選擇表面結構與部分文獻報道的紅外輻射性能。

表1 相關(guān)紅外頻率選擇表面結構的性能對比

結論

本文提出的計算模型可實(shí)現毫米級頻率選擇表面的紅外發(fā)射光譜響應。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率材料Au的導帶自由價(jià)電子躍遷進(jìn)行熱輻射抑制調控。結果表明：所制備樣品AFSS1、AFSS2在2~16 μm內平均紅外發(fā)射率分別為0.152和0.174，即在相同占空比下，單元邊長(cháng)小、排列緊密的陣列具有較優(yōu)的紅外輻射抑制特性。本文測試結果與仿真結果吻合較好，設計的毫米級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?xún)蓚€(gè)維度共同設計能量轉換、熱管理器件提供了一種新的思路。

審核編輯：劉清