红外/毫米波二向色镜的设计与制备

　　1　引　　言

　　HWIL(Hardware-in-the-loop)系统是传统的用以对精确制导技术进行仿真的系统环境。随着红外/毫米波(IR/mmW)双模制导技术的兴起,二向色镜(Dichroic Beam Combiner, DBC)的引入成为必要环节。它的功能便是要将红外与毫米波辐射分开,起到一个耦合天线的作用,从而达到双模制导。

　　1998年底以来,一维光子晶体技术(onedementional photonic crystal technology)已在各个波段各个领域开始得到应用,现利用一维光子晶体全方位反射器(omnidirectional reflector)的全偏振全角度高反射特性来设计二向色镜的红外高反膜,从而降低二向色镜对角度的敏感性。论文最后给出了在傅立叶红外光谱仪下中红外波段(3～5μm)样品的反射率曲线。

　　2　HWIL系统

　　图1所示为HWIL仿真环境的大致框图。毫米波源产生的毫米波通过与吸波室相连的一面墙壁上的阵列天线辐射,同样红外光学系统产生红外辐射,二向色镜的功能是反射红外辐射而透过毫米波辐射,从而使这两种不同波段的辐射同时被弹头接收。可在三个自由度转动的弹头将接收来的信号传送至仿真计算机进行信号处理、融合、成像、仿真。在这套系统中,二向色镜是最为关键的部分,它可以将红外辐射与毫米波辐射分开,或将两种辐射共孔径输出。以往国内的仿真系统需要将毫米波仿真与红外仿真分开进行,而通过这一器件可将两个波段的仿真同时放在HWIL系统中,实现了真正意义上的红外/毫米波双模制导仿真。

　　在国外对二向色镜的设计中,有红外高反射膜(IR Coating)、频率选择表面(FSS)、全息光学元件(HOE)等各种方案,其中尤以在介质基板上镀上多层介质红外高反射膜用得最为广泛。由于薄膜技术的成熟发展,使得这项技术成为制备IR/mmW二向色镜的最佳方案。

　　3　一维光子晶体技术

　　Fink等人在1998年提出了一维光子晶体的概念,即由两种或多种介质在一个方向上周期排列构成。他们认为,电磁波在周期介质中的传输矩阵满足半导体物理概念中的Bloch波解,即:

　　(1)式中K即为BLOCH波数,K的实数解对应传播态,虚数解对应衰减态,也就是禁带。对于频率位于禁带内的入射电磁波,由于一维光子晶体内没有其对应的传播态,从而无法传播,因此在任意偏振状态和入射角度下都可以实现全部反射。

　　传统的多层膜体系大都是在λ/4波片的基础上设计的,而一维光子晶体从光子能带结构的角度出发,在结构上没有λ/4波片之说,只要存在周期性结构即可。实际中可根据需要选取适当材料和控制波长,并由理论计算得出其全角度反射带。

　　由一维光子晶体的禁带理论出发,可以得出膜层间的传输矩阵。