0引言
紅外隱身技術是指通過降低和改變目標的紅外輻射特性，從而控制目標的紅外輻射特徵，實現目標的低可探測性。
熱紅外探測器工作波段主要在3～5μm和8～14μm，其中紅外製導飛彈工作在中紅外波段，而紅外熱像儀主要是利用目標與背景的紅外輻射特性差異來獲得目標的紅外圖像信息，工作波段為8～14μm.紅外探測器主要通過目標自身的紅外輻射來發現和識別目標。根據這個特點，可採用改變己方的紅外輻射波段至對方紅外探測器的工作波段之外，使對方的紅外探測器探測不到己方的紅外輻射。或者通過改變目標的紅外輻射分布狀態，使目標與背景的紅外輻射分布狀態相協調，從而使目標的紅外圖像成為整個背景紅外輻射圖像的一部分。利用禁帶處於紅外探測器工作波段的光子晶體可以實現這些目的。
1光子晶體基本特性
光子晶體是超材料的一種，它是指介電常數(或折射率)在空間周期性分布而具有光子禁帶的特殊材料。在光子禁帶中，光子態密度消失，導致電磁波無法傳播;而在光子通帶內，光子態密度出現振蕩，並導致光子晶體中出現透射共振。通過對構成光子晶體的材料組成、有效折射率、晶格參數等進行合理的設計，可以人為地製備出具有特定波段光子禁帶的光子晶體。在禁帶中心處於可見光波段的光子晶體材料中引入刺激響應性材料，可以實現材料的結構色肉眼可辨的變化，而禁帶處於紅外波段的光子晶體材料則可以實現對紅外輻射特性的抑制和改變，將其與響應性材料結合能夠得到對外界刺激做出適應性響應的智能材料。
光子晶體的另一個重要特性是光子局域。若光子晶體的周期結構被破壞就會在光子禁帶中產生缺陷態，與之頻率相對應的光子就被局域在缺陷態中，偏離缺陷態就會被強烈散射，可以通過在光子晶體中引入缺陷，實現相應波段輻射特性的增強。
光子晶體能夠在禁帶內實現對入射電磁波的高反射，可以操縱內部光源的紅外發射特性，進而抑制相應波段的紅外輻射能量，使紅外探測裝置探測不到。光子晶體能夠改變目標的紅外輻射特性，通過合理的設計，使目標的紅外輻射特徵與背景相近，從而實現紅外波段隱身。而變折射率的光子晶體紅外隱身材料甚至能夠通過模塊化設計，動態地將目標的紅外輻射特徵與所在環境相匹配，能夠極大地提高動態隱身效果和實用化的進程。
由於光子晶體的這些獨特性質，使其在紅外輻射特性的調控、寬頻隱身、自適應隱身方面具有普通紅外隱身材料難以比擬的優勢，本文將從以上幾個方面介紹國內外光子晶體紅外隱身材料的研究進展。
2光子晶體紅外隱身材料的研究進展
2.1光子晶體應用於紅外輻射特性的調控
自從Yablonovitch和John提出光子晶體和光子局域的概念以來，研究人員在研發輻射特性可控的光子晶體材料上投入了大量的工作，所取得的研究進展都可以直接或間接地應用於紅外隱身中。
1997年，Djuric等基於詳細的理論計算設計了具有供體和受體缺陷的一維Si/SiO2光子晶體材料，該結構由6周期Si/SiO2構成，實現了對500℃物體紅外輻射的強烈抑制，在3.5～4.5μm的紅外透過率幾乎為0，對於工作波段在2.5～6μm的探測器具有一定的隱身效果。Djuric等又通過用同厚度受體缺陷SiO2代替第5層Si，使波長3.4μm出現缺陷態，實現了該波長的紅外高透過率。
1998年，Fink等實現了一維禁帶對入射光的全方位反射。通過利用相空間的禁帶區域對環境介質的光錐交疊可以實現帶有介面的周期系統的全方位反射這一理論基礎，簡單地用交替聚苯乙烯-碲膜層構造一維光子晶體，該材料對10～15μm波長範圍的紅外光呈現全方位反射。由於該結構的材料可以通過設計得到所需波段的禁帶，因此可以將其用到紅外隱身領域。
2.2光子晶體禁帶的展寬
光子晶體寬的禁帶是實現相應波段低的發射率、從而降低紅外可探測性的必備條件。因此在如何增加禁帶寬度方面，研究者們投入了大量的研究，並取得了一系列的進展。
最簡單的方法是在一維二元光子晶體中，增加折射率比來增大禁帶，選取折射率相差大的高低折射率材料來構造一維光子晶體有利於寬禁帶的產生。
2.3多波段隱身兼容
隨著紅外製導技術、雷達制導技術和可見光及雷射制導技術等多頻段、高精度制導技術的不斷成熟，要求隱身材料的研究也必須向著多波段兼容隱身的方向發展。
2000年，Blanco等用800nmSiO2製備光子晶體，以此為模板，去除SiO2後化學氣相沉積填充Si，大面積製備了具有雙波段完全光子禁帶的三維矽基光子晶體。
2001年，Temelkuran等研究全向反射鏡製備的一維光子晶體的兩個帶隙，首次在4.5～5.5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口上對任意偏振態實現了全角度反射。
2006年，Aliev等使用硫系玻璃AMTIR-1填充SiO2蛋白石晶體除去模板製成反蛋白石光子晶體，通過適當地控制晶格參數和填充率，可以使該結構光子晶體在中紅外和遠紅外波段產生完全光子帶隙。其樣品在3～5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口波段的反射率可達90%以上。該結構在保持紅外透明介質本身的低吸收特性的同時，利用光子晶體結構對禁帶光波的高反射特性有效阻隔來自目標的紅外輻射信號，實現近紅外與遠紅外隱身兼容。
2.4自適應紅外隱身
自適應紅外隱身技術又稱智能紅外隱身技術，是指通過控制和調節變溫或變發射率材料構成的敏感單元，使被探測目標的紅外輻射特性能夠隨環境自動發生相應調整，實現目標與環境紅外輻射特性的統一，消除目標與背景的紅外探測特性差異，從而得以偽裝掩護和隱身。
變溫材料構成的自適應隱身器件，整體靈敏度差，難以滿足實用的要求。單純的變發射率材料構成的隱身器件，光譜選擇性及其發射率可調節的範圍有限。而將變發射率材料與光子晶體結構結合起來構建自適應隱身系統，不但靈敏度更高，而且能夠在更大的波段範圍內實現對物體紅外輻射特徵的動態調製。因此，變發射率材料構成的光子晶體自適應隱身器件是自適應紅外隱身的未來發展方向。
3總結和展望
本文歸納了光子晶體應用於紅外隱身領域的研究進展和最新發展動態，並針對新一代光子晶體紅外隱身材料對寬範圍的高反射、多波段兼容、可逆的動態調整等需求，提出了相應的解決思路。
1)為了獲得寬範圍、高反射特性的光子晶體紅外隱身材料，除了選取折射率比大的組合材料之外，還可以通過引入無序結構或半導體、等離子體等新材料來構造三元光子晶體結構。將兩種或兩種以上的光子晶體相結合，構建單異質結構、雙異質結構無疑是最簡單直接也最行之有效的方法。
2)對於實現多波段兼容隱身，首先要考慮兩種隱身手段之間的關聯和共通點。對於紅外與雷射兼容的隱身材料，除了光子晶體相應波段的高反射率性能之外，還要考慮通過摻雜或「挖空」等手段賦予光子晶體某一波長高的透射率來實現二者兼容隱身。對於紅外與雷達的兼容隱身技術，材料本身對雷達波的吸收性能是首先要考慮的問題，採取合適的雷達波段高透射率的材料來構建光子晶體是最基本的思路之一，也是當前研究的熱點。
3)能夠動態調整目標的紅外輻射特徵的自適應隱身技術，是未來紅外隱身的發展趨勢和主要研究方向。隨著新材料的發展和新型製備技術的出現，受化學刺激、溫度、電場、磁場等外界作用而改變發射率的材料，必然在自適應隱身研究中扮演更重要的角色。在最新的研究動態中，我們也驚喜地發現，受自然界中納米尺寸結構色(如魷魚的虹細胞結構)的啟發，利用仿生學製備的自適應紅外隱身材料，往往比微製造等複雜技術製備的材料更有效更能滿足實用的需要。
4)雖然當前隱身材料領域仍然以塗層材料等傳統隱身手段為主，但隨著未來探測手段不斷多樣化和精確化，對隱身材料提出更高更多的要求，光子晶體以其結構的可設計性、動態的可調性等優異特點，在未來的紅外隱身發展過程中，必然占據更重要的位置。
紅外隱身技術是指通過降低和改變目標的紅外輻射特性，從而控制目標的紅外輻射特徵，實現目標的低可探測性。
熱紅外探測器工作波段主要在3～5μm和8～14μm，其中紅外製導飛彈工作在中紅外波段，而紅外熱像儀主要是利用目標與背景的紅外輻射特性差異來獲得目標的紅外圖像信息，工作波段為8～14μm.紅外探測器主要通過目標自身的紅外輻射來發現和識別目標。根據這個特點，可採用改變己方的紅外輻射波段至對方紅外探測器的工作波段之外，使對方的紅外探測器探測不到己方的紅外輻射。或者通過改變目標的紅外輻射分布狀態，使目標與背景的紅外輻射分布狀態相協調，從而使目標的紅外圖像成為整個背景紅外輻射圖像的一部分。利用禁帶處於紅外探測器工作波段的光子晶體可以實現這些目的。
1光子晶體基本特性
光子晶體是超材料的一種，它是指介電常數(或折射率)在空間周期性分布而具有光子禁帶的特殊材料。在光子禁帶中，光子態密度消失，導致電磁波無法傳播;而在光子通帶內，光子態密度出現振蕩，並導致光子晶體中出現透射共振。通過對構成光子晶體的材料組成、有效折射率、晶格參數等進行合理的設計，可以人為地製備出具有特定波段光子禁帶的光子晶體。在禁帶中心處於可見光波段的光子晶體材料中引入刺激響應性材料，可以實現材料的結構色肉眼可辨的變化，而禁帶處於紅外波段的光子晶體材料則可以實現對紅外輻射特性的抑制和改變，將其與響應性材料結合能夠得到對外界刺激做出適應性響應的智能材料。
光子晶體的另一個重要特性是光子局域。若光子晶體的周期結構被破壞就會在光子禁帶中產生缺陷態，與之頻率相對應的光子就被局域在缺陷態中，偏離缺陷態就會被強烈散射，可以通過在光子晶體中引入缺陷，實現相應波段輻射特性的增強。
光子晶體能夠在禁帶內實現對入射電磁波的高反射，可以操縱內部光源的紅外發射特性，進而抑制相應波段的紅外輻射能量，使紅外探測裝置探測不到。光子晶體能夠改變目標的紅外輻射特性，通過合理的設計，使目標的紅外輻射特徵與背景相近，從而實現紅外波段隱身。而變折射率的光子晶體紅外隱身材料甚至能夠通過模塊化設計，動態地將目標的紅外輻射特徵與所在環境相匹配，能夠極大地提高動態隱身效果和實用化的進程。
由於光子晶體的這些獨特性質，使其在紅外輻射特性的調控、寬頻隱身、自適應隱身方面具有普通紅外隱身材料難以比擬的優勢，本文將從以上幾個方面介紹國內外光子晶體紅外隱身材料的研究進展。
2光子晶體紅外隱身材料的研究進展
2.1光子晶體應用於紅外輻射特性的調控
自從Yablonovitch和John提出光子晶體和光子局域的概念以來，研究人員在研發輻射特性可控的光子晶體材料上投入了大量的工作，所取得的研究進展都可以直接或間接地應用於紅外隱身中。
1997年，Djuric等基於詳細的理論計算設計了具有供體和受體缺陷的一維Si/SiO2光子晶體材料，該結構由6周期Si/SiO2構成，實現了對500℃物體紅外輻射的強烈抑制，在3.5～4.5μm的紅外透過率幾乎為0，對於工作波段在2.5～6μm的探測器具有一定的隱身效果。Djuric等又通過用同厚度受體缺陷SiO2代替第5層Si，使波長3.4μm出現缺陷態，實現了該波長的紅外高透過率。
1998年，Fink等實現了一維禁帶對入射光的全方位反射。通過利用相空間的禁帶區域對環境介質的光錐交疊可以實現帶有介面的周期系統的全方位反射這一理論基礎，簡單地用交替聚苯乙烯-碲膜層構造一維光子晶體，該材料對10～15μm波長範圍的紅外光呈現全方位反射。由於該結構的材料可以通過設計得到所需波段的禁帶，因此可以將其用到紅外隱身領域。
2.2光子晶體禁帶的展寬
光子晶體寬的禁帶是實現相應波段低的發射率、從而降低紅外可探測性的必備條件。因此在如何增加禁帶寬度方面，研究者們投入了大量的研究，並取得了一系列的進展。
最簡單的方法是在一維二元光子晶體中，增加折射率比來增大禁帶，選取折射率相差大的高低折射率材料來構造一維光子晶體有利於寬禁帶的產生。
2.3多波段隱身兼容
隨著紅外製導技術、雷達制導技術和可見光及雷射制導技術等多頻段、高精度制導技術的不斷成熟，要求隱身材料的研究也必須向著多波段兼容隱身的方向發展。
2000年，Blanco等用800nmSiO2製備光子晶體，以此為模板，去除SiO2後化學氣相沉積填充Si，大面積製備了具有雙波段完全光子禁帶的三維矽基光子晶體。
2001年，Temelkuran等研究全向反射鏡製備的一維光子晶體的兩個帶隙，首次在4.5～5.5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口上對任意偏振態實現了全角度反射。
2006年，Aliev等使用硫系玻璃AMTIR-1填充SiO2蛋白石晶體除去模板製成反蛋白石光子晶體，通過適當地控制晶格參數和填充率，可以使該結構光子晶體在中紅外和遠紅外波段產生完全光子帶隙。其樣品在3～5μm和8～12μm兩個紅外大氣窗口波段的反射率可達90%以上。該結構在保持紅外透明介質本身的低吸收特性的同時，利用光子晶體結構對禁帶光波的高反射特性有效阻隔來自目標的紅外輻射信號，實現近紅外與遠紅外隱身兼容。
2.4自適應紅外隱身
自適應紅外隱身技術又稱智能紅外隱身技術，是指通過控制和調節變溫或變發射率材料構成的敏感單元，使被探測目標的紅外輻射特性能夠隨環境自動發生相應調整，實現目標與環境紅外輻射特性的統一，消除目標與背景的紅外探測特性差異，從而得以偽裝掩護和隱身。
變溫材料構成的自適應隱身器件，整體靈敏度差，難以滿足實用的要求。單純的變發射率材料構成的隱身器件，光譜選擇性及其發射率可調節的範圍有限。而將變發射率材料與光子晶體結構結合起來構建自適應隱身系統，不但靈敏度更高，而且能夠在更大的波段範圍內實現對物體紅外輻射特徵的動態調製。因此，變發射率材料構成的光子晶體自適應隱身器件是自適應紅外隱身的未來發展方向。
3總結和展望
本文歸納了光子晶體應用於紅外隱身領域的研究進展和最新發展動態，並針對新一代光子晶體紅外隱身材料對寬範圍的高反射、多波段兼容、可逆的動態調整等需求，提出了相應的解決思路。
1)為了獲得寬範圍、高反射特性的光子晶體紅外隱身材料，除了選取折射率比大的組合材料之外，還可以通過引入無序結構或半導體、等離子體等新材料來構造三元光子晶體結構。將兩種或兩種以上的光子晶體相結合，構建單異質結構、雙異質結構無疑是最簡單直接也最行之有效的方法。
2)對於實現多波段兼容隱身，首先要考慮兩種隱身手段之間的關聯和共通點。對於紅外與雷射兼容的隱身材料，除了光子晶體相應波段的高反射率性能之外，還要考慮通過摻雜或「挖空」等手段賦予光子晶體某一波長高的透射率來實現二者兼容隱身。對於紅外與雷達的兼容隱身技術，材料本身對雷達波的吸收性能是首先要考慮的問題，採取合適的雷達波段高透射率的材料來構建光子晶體是最基本的思路之一，也是當前研究的熱點。
3)能夠動態調整目標的紅外輻射特徵的自適應隱身技術，是未來紅外隱身的發展趨勢和主要研究方向。隨著新材料的發展和新型製備技術的出現，受化學刺激、溫度、電場、磁場等外界作用而改變發射率的材料，必然在自適應隱身研究中扮演更重要的角色。在最新的研究動態中，我們也驚喜地發現，受自然界中納米尺寸結構色(如魷魚的虹細胞結構)的啟發，利用仿生學製備的自適應紅外隱身材料，往往比微製造等複雜技術製備的材料更有效更能滿足實用的需要。
4)雖然當前隱身材料領域仍然以塗層材料等傳統隱身手段為主，但隨著未來探測手段不斷多樣化和精確化，對隱身材料提出更高更多的要求，光子晶體以其結構的可設計性、動態的可調性等優異特點，在未來的紅外隱身發展過程中，必然占據更重要的位置。
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