基于毫米级Au红外辐射抑制频率选择表面的设计

基于频率选择表面（FSS）的红外辐射调控被认为是解决热污染、实现双碳目标的有效途径。

据麦姆斯咨询报道，近期，武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“基于毫米级Au红外辐射抑制频率选择表面的设计与制备”为主题的文章。该文章第一作者为李晨曦，通讯作者为李享成。

本文基于时域有限差分法（FDTD）和参数扫描法，仿真设计并优化了一种单层方形频率选择表面。在频率选择表面结构中引入高导电金属材料Au，利用其高占空比和导带自由价电子跃迁消耗入射光能量以共同增强红外反射。

设计与仿真

毫米级频率选择表面红外发射光谱计算模型

随着信号探测技术的高速发展，频率选择表面在光波、电磁波、声波等领域内的兼容性应用备受关注。为了实现多频段选择性调控，针对频率选择表面的频域响应模拟成为关键一环。然而，考虑到制备工艺和工程应用因素，红外/雷达、红外/可见光/雷达兼容频率选择表面的设计与制备基本维持在毫米级尺度，跨越多数量级的频率选择表面结构的频域响应无法直接通过仿真软件计算得到，针对求解毫米级模型红外光谱响应的问题尚未得到解决。

毫米级频率选择表面厚度对红外反射率的影响

本文提出一种毫米级红外频率选择表面结构，选用高电导率材料金（Au）作为红外反射层，红外透明材料石英玻璃（SiO₂）作为基底。为了确定各层合适厚度，采用FDTD对Au、SiO₂进行全波数值模拟。

图1 FDTD拟合得到的红外介电常数实部和虚部：（a）Au；（b）SiO₂

基于图1光学介电常数模型，研究了电磁波正入射至不同厚度薄膜表面时的反射光谱，分别如图2、3所示。图2模拟了厚度为0.05~5 μm的Au薄膜红外反射光谱，图3模拟了厚度为0.1~8 μm的SiO₂薄膜红外反射光谱，以探究材料厚度对红外反射率的影响。

图2 不同厚度的Au薄膜红外反射光谱仿真结果

图3 不同厚度SiO₂薄膜的红外反射光谱仿真结果

毫米级频率选择表面结构设计与红外反射光谱仿真计算

上述研究结果验证了调节厚度可以影响红外反射率的变化，从而导致吸收强度和谐振带宽的变化，由此可确定Au、SiO₂的厚度分别为0.1 μm、1 mm。另外，方形贴片具有优良的可加工性和较大占空比，利于提高红外反射率，故本文设计了两个相同占空比（81%）、不同尺寸的Au方形频率选择表面AFSS1和AFSS2模型，其边长、单元间隔分别为1 w =0.45 mm、1 g =0.05 mm及2 w =0.90 mm、2 g =0.10 mm，如图4（a）所示。在FDTD仿真软件中将顶层Au和玻璃基底构成的方形频率选择表面分为四个区域（A1~A4），如图4（b）所示。

图4 大尺寸Au频率选择表面三维结构示意图

将光源设置在距离顶层一个波长的位置，反射监视器介于光源与FDTD之间，仿真得到各区域的红外反射光谱如下图5（a）所示。

图5 红外反射光谱的仿真结果

实验与验证

红外频率选择表面制备与表征

为验证理论模型的计算结果，采用磁控溅射设备（FJL500）制备了AFSS样品。以石英玻璃（SiO₂）作为衬底（厚度1 mm），将其分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15 min，清洗过程有利于去除吸附的杂质。采用聚酰亚胺胶带将不锈钢掩膜版固定在洁净玻璃衬底中心，随后移置于正对Au靶上方的样品台中央，打开功率源将真空腔室预抽真空至1×10⁻⁴ Pa。采用偏光显微镜（Axioskop40）拍摄得到AFSS1、AFSS2的光学图片，分别如图6（c）和（d）所示。

图6 两种频率选择表面的红外光谱的仿真与测试结果

红外光谱响应分析

为研究频率选择表面红外辐射抑制性能，本文使用FTIR（Spectrum-100）表征了AFSS1、AFSS2的红外反射率光谱（2~16 μm），从图6（a）~（b）可以看出，FDTD 模拟的红外反射光谱在8~10 μm内具有“针尖”反射峰在实测红外反射光谱8.5~11 μm范围内同样出现了该现象。与仿真结果相比，实测得到的红外反射光谱向长波方向轻微红移，反射曲线向上移动。表1比较了本文设计的频率选择表面结构与部分文献报道的红外辐射性能。

表1 相关红外频率选择表面结构的性能对比

结论

本文提出的计算模型可实现毫米级频率选择表面的红外发射光谱响应。此外，基于上述模型制备了一种宽带低发射率辐射抑制频率选择表面，利用高填充率方形阵列和高电导率材料Au的导带自由价电子跃迁进行热辐射抑制调控。结果表明：所制备样品AFSS1、AFSS2在2~16 μm内平均红外发射率分别为0.152和0.174，即在相同占空比下，单元边长小、排列紧密的阵列具有较优的红外辐射抑制特性。本文测试结果与仿真结果吻合较好，设计的毫米级Au频率选择表面计算模型在宽频带低红外辐射抑制领域具有较大可行性，为定量与定性两个维度共同设计能量转换、热管理器件提供了一种新的思路。

审核编辑：刘清