成像系统窄带光谱防护微纳光学滤光技术研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Tianxudong
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自激光问世以来,激光武器的研究一直广受世界各国的重视。目前最成熟的激光致盲武器可以通过其高光强的特点使光电探测器像元达到饱和,在像面上形成干扰光斑,甚至使探测器瞬间“致盲”。在激光武器不断发展的同时,如何对激光武器的成像干扰进行防护也一直是极受关注的问题。本文分析了目前常用的成像系统激光防护手段和基于微纳光学的窄带光谱防护滤光片的研究现状及发展前景。以最常见的532nm干扰激光波长为例,进行用于可见光成像系统的微纳光学窄带光谱防护滤光片的设计,基于导模共振(guided mode resonance,GMR)原理与完美吸收原理,共完成了四类滤光片(组)的设计及性能分析,为基于微纳光学原理的窄带光谱防护和激光防护方案提供了思路和指导。首先,对GMR效应和时域有限差分(finite difference time-domain,FDTD)数值仿真算法的原理进行了介绍和简要推导。在GMR理论的指导下,进行了一维透射式窄视场窄带滤光片的设计,并从结构参数、偏振敏感性、角度敏感性及光谱防护能力等各方面进行了性能分析。根据E7液晶(liquid crystal,LC)的工作特性,利用E7-LC在原滤光片结构的基础上进行改进,实现防护目标波长的可调谐性,使其能够应对干扰波长的漂移,也可以补偿加工误差造成的防护波长偏移。其次,为实现偏振不敏感的无偏振防护效果,基于二维GMR理论,在一维滤光片的结构基础上进行了二维透射式窄带滤光片的设计,在保持可见光波段高透过率的同时,实现对窄视场内目标波长的无偏振反射滤除。从结构参数、角度敏感性及光谱防护能力等方面对滤光片的性能进行了详细分析,明确了滤光片的工作范围限制,提供了各结构部分的加工精度指导。为实现防护目标波长的可调谐性,使用E7-LC进行了二维滤光片的可调谐性优化并进行了相应的性能分析。之后,为拓宽防护滤光片工作视场,基于二维三角形阵列GMRF进行了宽视场透射式窄带滤光片的设计。重点分析了滤光片的偏振敏感性和角度敏感性,利用其共振波长随斜入射角度变化较小的特点,使用双面刻蚀和多个滤光片联合使用的方式实现了滤光片(组)性能的提升,使其兼具偏振不敏感特性和一定的角度不敏感特性,突破了前两类滤光片极窄的工作视场限制。但是通过增加滤光片个数来提升滤光性能的方法有利有弊,本文通过对多片联用方法的优缺点进行分析,给出了使用指导。最后,分析了完美吸收的产生机理,重点介绍了用于解释完美吸收现象的阻抗匹配理论、LC等效电路模型和反射相干模型。基于金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)结构进行了反射式宽视场窄带滤光片的设计。先从具有更少结构参数的光栅式一维MDM结构入手,设计了偏振的窄带吸收滤光片,再对一维的单元结构进行二维拓展,利用旋转对称性实现了无偏振的窄带吸收。该滤光片具有比透射式滤光片更宽的工作视场,对目标波长实现窄带吸收滤除的同时,对可见光波段保持极高的反射率。重点分析了滤光片的角度敏感性和热稳定性,并结合防护需求给出了对应的使用指导。
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