一種具有均勻衍射分布的電磁屏蔽激光紅外雙波段光窗

李 季,肖 迪

(1.湖北久之洋紅外系統股份有限公司,湖北 武漢 430223；2.青島嘉星晶電科技股份有限公司,山東 青島 266108)

1 引 言

金屬網柵薄膜是一種非連續性的透明導電薄膜,在可見光和紅外波段呈高透特性,在微波和雷達波波段則呈高反帶阻特性。金屬網柵薄膜一般具有周期性結構,改變其周期結構參數可以實現特定波段的濾波功能,這是因為金屬網柵薄膜的線寬為微米或亞微米量級,周期為亞毫米量級,可見光和紅外波段的電磁屏蔽波長遠遠小于金屬網柵的周期長度,微波及雷達波段電磁波波長遠大于網柵周期。表面制備有金屬網柵薄膜的光窗兼具光學波段的高透過性和微波/雷達波段的優良電磁屏蔽特性,成為目前較為常用的實現光學窗口電磁屏蔽的技術手段之一[1-4]。

金屬網柵薄膜的非連續性,導致其對入射光束會產生衍射作用,將其鍍制在光電探測設備光學窗口上時,衍射光會成為光學系統中的雜光,影響成像質量,會造成設備分辨率和探測距離的下降。為了降低這一不利影響,國內外的科研工作者進行了大量的工作,試圖通過改變金屬網柵結構來定量控制次級衍射分布[5-8]。本文提出了一種隨機圓環結構金屬網柵,對網柵的光學透過率、衍射分布和電磁屏蔽效能進行了仿真,仿真結果表明該網柵結構具有良好的光學/電磁屏蔽性能。

2 隨機圓環網柵設計

本文隨機圓環網柵的基礎結構采用四方排列圓環結構,通過對圓環的圓心和直徑進行隨機賦值,得到隨機圓環結構。考慮到工程化應用,隨機圓環網柵不能無限制擴大,一般會使用一定數量的隨機圓環作為基礎結構單元,修飾邊界之后,最終得到周期化隨機圓環網柵,設計流程圖如圖1所示。

圖1 隨機圓環金屬網柵設計流程圖

為了使本文設計的隨機網柵可以進行周期化處理,在隨機圓環結構外包裹了一層半徑相同的周期性圓環,這些圓環的半徑和隨機圓環左下角圓環半徑相同,設定為100 μm,其他圓環直徑按照相應比例進行縮放,圓環網柵線寬為3 μm。

3 隨機圓環網柵性能仿真

3.1 隨機圓環網柵衍射分布仿真

隨機圓環網柵衍射分布仿真計算基于離散化思想,將網柵圖形進行像素化處理,變換為二維平面上的黑白兩色位圖,其中網柵線條為黑色不透光,網柵網孔為白色透光；再將黑白雙色位圖轉變為包含0和1兩種元素的矩陣,透光部分在矩陣中的數值為1,不透光部分在矩陣中的數值為0,將隨機圓環金屬網柵圖形轉化為對應的二維矩陣,將此矩陣做快速傅里葉變換之后取模平方,就得到了隨機圓環金屬網柵的衍射分布圖。

在離散化的衍射分布計算之前,需要建立衍射屏,衍射屏由透光的金屬網柵網衍射孔和不透光的網柵線條、遮擋板組成。離散化衍射分布計算中衍射屏遮光面積是有限的,在衍射孔徑固定時,若孔徑四周遮光面積過小,則不能夠滿足夫瑯禾費衍射條件,會造成衍射分布計算結果誤差較大或者失真。為了保證離仿真結果的準確性,需在衍射孔的周圍設置面積較大的不透光遮光板,本文將衍射屏設置為正方形,衍射孔為圓形,衍射屏邊長為衍射孔直徑的3倍。如圖2所示。

圖2 金屬網柵衍射仿真衍射屏示意圖

使用快速傅里葉變換對隨機圓環網柵的衍射分布進行了仿真,結果如圖3所示。從圖3中可以看到,隨機圓環網柵次級衍射較為均勻地分布在零級衍射光斑周圍,沒有出現周期性網柵所呈現的非常明顯次級衍射集中分布的現象。為了表征隨機網柵的衍射分布,本文在隨機圓環網柵衍射分布圖上取三處離零級衍50、100和150像素的位置分別代表+1級、+2級、+3級衍射,歸一化衍射能量如表1所示。

表1 隨機圓環網柵高級次衍射能量對比

圖3 隨機圓環網柵衍射能量分布

歸一化衍射能量的定義如等式(1)所示:

(1)

其中,S為歸一化衍射能量；Sn為某一級次的衍射能量；S0為零級衍射能量。

從計算結果中可以看到,隨機圓環網柵的+1～+3級衍射能量能夠控制在-4 dB及以下,即次級衍射能量為零級衍射的0.01 %以下。

在有電磁屏蔽光窗的光學系統中,金屬網柵的衍射光是系統中雜散光的主要來源之一。衍射分布仿真結果表明,隨機圓環金屬網柵的次衍射能量圍繞零級衍射分布較為均勻,能夠在一定程度上避免次級衍射的強度疊加,使雜散光成為比較均勻的背景噪聲,降低了網柵次級衍射對復雜光學系統成像的不利影響。

3.2 隨機圓環網柵光學透過率仿真計算

隨機圓環網柵光學透過率仿真計算方法是通過計算網柵透光部分面積與總面積的比值,得到網柵的光學透過率。首先將網柵圖形進行簡化處理,對于隨機結構網柵,只有網柵線條交匯處存在線條面積重合的現象,然而這些交匯處的面積占比非常低,不足網柵線條總面積的1 %,在工程化計算中可以忽略不計。將隨機網柵圖形轉換為dxf格式文件,使用CAD軟件讀取每個柵線的長度,將長度求和后再乘以網柵線條寬度,即可得到網柵線條總面積,進而可得出網柵的透過率。

本文中隨機圓環網柵的一個大周期網柵線條長度為29330 μm,網柵線條寬度3 μm,每個周期總面積為1155625 μm,通過計算可得隨機圓環金屬網柵的光學透過率為92.4 %,具有良好的光學透過率。

3.3 隨機圓環網柵電磁屏蔽效能仿真計算

隨機圓環網柵電磁屏蔽效能仿真計算方法為:將隨機圓環網柵周期結構導入到電磁屏蔽效能仿真軟件中,設置材料為Al,厚度300 nm,并設置10 mm厚的窗口基底,材料為藍寶石,設置周期性邊界條件和入射出射端口后即可進行網柵電磁屏蔽效能的仿真,仿真結果如圖4所示。可以看到隨機圓環網柵電磁屏蔽光窗在1～18 GHz頻段范圍內屏蔽效能均優于20 dB,具有優良的電磁屏蔽效能。

圖4 隨機圓環網柵電磁屏蔽效能仿真結果

4 試驗數據核算

根據本文構建的隨機圓環金屬網柵模型,在現有藍寶石光電窗口上進行了屏蔽網柵的試制工作,試制樣片如圖5所示。

圖5 隨機圓環金屬網柵試制樣片

對該樣片在鍍制金屬網柵后的透過率、電磁屏蔽效能進行測試,測試結果如表2、表3所示。

表2 隨機圓環金屬網柵屏蔽窗口透過率測試

表3 隨機圓環金屬網柵屏蔽窗口電磁屏蔽效能測試

從測試結果來看,藍寶石光學窗口在鍍制了隨機圓環金屬網柵后,整體的光學透過率能滿足實際使用需求；電磁屏蔽效果基本符合仿真結果,具有良好的電磁屏蔽效能。

5 結 論

本文構建了隨機圓環金屬網柵模型,對帶有基底材料的網柵的衍射分布、光學透過率和電磁屏蔽效能進行了仿真計算,并進行了樣片試制和測試工作。結果表明:隨機圓環網柵結構的高級次衍射均勻分布在零級衍射附近,無明顯的高級次衍射集中分布現象,衍射能量強度隨著遠離零級衍射的方向下降較快,網柵光學透過率滿足使用要求,電磁屏蔽效能優于20 dB,具有優良綜合性能。