材料激光隱身技術發展現狀

林文學

(湖北職業技術學院，湖北 孝感 432000）

0 引言

軍事激光技術在戰場上的廣笵應用，對戰場目標的生存構成了嚴重威脅。隨著激光技術的發展，激光探測、制導器材的性能必定會越來越高，這就給激光隱身技術提出了越來越高的要求。激光隱身技術已成為現代隱身技術的重要方面，是軍事目標隱身領域的戰略，戰術與戰斗的迫切需要。

1 激光隱身原理

激光具有高的方向性、單色性和相干性。因此，激光雷達、測距機、制導系統和指示器常用向目標發射一定波長的激光，通過接受其反射回波來探知目標的距離。激光器探測方程為[1]：

PT是發射的激光功率；PR是接收的激光回波功率；ΩT是發射波束的立體角；Ωr是目標散射波束立體角；Ar是目標面積；Ac是接收機有效孔徑面積；ρ 是目標反射率；τ 是單向傳輸路徑透過率；R 是激光雷達作用距離。

由（1）式知實現激光隱身主要措施是最大限度的降低目標對激光的反射率ρ，減小目標面積Ar，增大目標散射波束立體角Ωr，以有效地降低激光雷達、激光測距機、激光制導武器的作用距離。激光隱身的主要途徑就是采用外形技術和材料技術。

2 材料隱身技術

2.1 光學干涉隱身[2]

利用光學干涉原理來設計和研究光譜吸收涂料也是一種重要手段。若在折射率為no的入射介質（若為空氣no=1）和折射率為n1的基底介質之間涂上一層厚度為d，折射率為n 的薄層材料，當光垂直入射且薄層的光學厚度為(k=0，1，2…)（no＜n＜n1）時，從涂層上下表面反射波迭加發生干涉，相互抵消，致使反射光強減弱。此薄層的反射率

因此只要適當選擇具有合適折射率的隱身涂料，并嚴格控制薄層的厚度，就可以制備在某一特定波長反射率很小的涂料，達到特定波長激光隱身的目的。但在實際涂敷時，用于涂層的厚度不易精確掌握，而且吸收波段窄，因此，該方法的實際應用具有一定的技術難度。

2.2 摻雜半導體材料隱身[3-4]

根據半導體連續光譜理論，可見紅外波段光波在半導體中的傳播特性與所謂等離子ωρ密切相關[5]。等離子頻率及相應的等離子波長由下式表示：

其中的m 為電子的有效質量，ε0為真空介電常數，N 為載流子濃渡，e 為電子電荷，c 為真空光速。當入射光的頻率ω＞ωρ時，半導體具有電介質的特性，有很高的透過率，很低的反射率和吸收率，當入射光的頻率ω＜ωρ時，半導體具有金屬的特性，有很高的反射率。而半導體的ωρ主要取決于它的載流子濃度N，因此通過控制半導體摻雜濃度來控制其載流子濃度，進而控制半導體材料的等離子頻率ωρ，以實現激光隱身。

2.3 光致變色材料隱身

光致變色技術是利用某些介質的物理或化學特征，使入射激光波穿透或反射后變成另一種波的光波。

以無機化合物為例。研究表明[6]，很多摻稀土和過渡金屬離子的晶體，能使入射激光穿透或反射后變成另一波長的光波。其光致變色的物理機制是利用物質受激發射斯托克斯熒光來實現的，物質的熒光是較高能級對較低能級的自發躍遷輻射，發射熒光的波長大于激發光的波長。它有兩種情況[7]：一種是原子吸收光子被激發后，從激發態通過發射熒光返回到比基態稍高的某個能級上，如圖1 所示。激發態是單高能級3，而低能級為1、2，如果激發光使電子發生1→3 躍遷，而熒光躍遷發生在3→2 能級之間，依據愛因斯坦原子吸收與輻射理論，介質原子吸收激發光子的頻率為，介質原子自發躍遷發射熒光光子的頻率為

由于E3-E1＞E3-E2故v2＜v1

另一種情況是所謂碰撞輔助發射，碰撞輔助是指兩個很靠近的能級存在有效的碰撞混合，通過碰撞，被激發到高能級后的原子過渡到比激發態稍低的某個能級上，再從這個能級向下躍遷發射熒光，如圖2 所示。高能級是3、4，低級是1、2，如果激發光頻率為的光子被介質電子吸收從低能級1 躍 遷到高能級4 后，電子經過碰撞無輻躍遷到能級3，然后由能級3 躍遷到低能級2，并發射熒光光子，光子頻率為

圖1 斯托克斯熒光三能級圖

圖2 斯托克斯熒光四能級圖

由此可見，為要實現光致變色隱身所選擇的材料必須具有如圖1、圖2 所示的兩種能級結構，并且對其入射激光具有強的選擇吸收。某些晶體材料由于強弱振子介電耦合原因能夠在某一波長，如1.06μm 處有強吸收性能[8]。

因此，用合適的光致變色材料制成隱身涂料，就有可能實現激光隱身。

2.4 強吸收材料隱身[9]

采用低反射高吸收的物質對目標進行激光隱身。這類材料的吸收可以分為線性吸收、非線性吸收以及選擇性吸收等。線性吸收型主要有金屬氧化物、金屬有機配合物。比如有些稀土氧化物由于能級豐富在1.06μm 波長附近出現了特征吸收峰。有些金屬配合物在近紅外和中遠紅外出現吸收帶。

非線性吸收的物質，比如具有反飽和吸收和雙光子吸收的物質，如C60、酞菁染料等，Kμmar.G.A 等[10]人研究LaPc、Nd Pc、Eu Pc 時發現他們具有反飽和吸收特性。由于反飽和和雙光子非線性吸收物質的激光能量閾值比較大，限制了其在激光隱身材料方面的應用。最近有人報道鐵的超細粉具有強烈的紅外吸收性能，可以見這類物質將在激光隱身材料中具有重要的價值。

當波長的能量大于半導體禁帶寬度時，對應的激光將被強烈的吸收，由于目前大量裝備的激光制導武器都采用1.06μm 的激光波長，所以采用合適能帶寬度的半導體能有效實現激光隱身。

2.5 漫反射涂層

如果材料是有高大角度激光反射率，就有可能降低目標的激光可視性，實現對激光探測方式的隱身。研究表明[11]，當表面具有一定的粗糙度時，表面無序引起的散射關系發生了變化，入射電磁波和表面電磁模式的耦合成為可能。而且，入射電磁波轉換成表面電磁模式以后在沿表面傳播過程中，由于表面粗糙無序性形成的隨機散射勢，使表面電磁模式形成所謂Arderson 局域而被表面吸收，比輻射率、鏡反射率和漫反射率都很低，從而以實現激光隱身。

2.6 采用高透和導光材料隱身

由于探測用的激光能量比較小，對于一般的設備不產生大的傷害，可以采用對激光波長具有高透射性能的材料，把激光能量導入到介質中然后通過改變激光的出射途徑或者在目標內部把激光吸收掉，比如可以把保護層設計成夾層狀，夾層里充入對激光吸收能力很強的物質以實現激光隱身。

3 結束語

激光隱身的實現與理論的突破密切相關。目前，激光隱身還存在著大量的理論與技術難題，這方面的工作有待進一步深入。同時，隨著多波段探測和制導技術的不斷發展，多波段復合隱身技術是隱身技術的發展方向。因此，探索新技術、新方法、積極開展新的隱身機理和新型多功能隱身材料的研究，特別是新型涂敷型多功能，多頻譜兼容的隱身材料是新的研究熱點和難點。

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