本發(fā)明屬于光譜領(lǐng)域，具體涉及一種二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法，特別是涉及一種ZnS/ZnSe疊層紅外光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法。

背景技術(shù)：

ZnS和ZnSe材料是兩種重要的紅外光學(xué)材料，廣泛應(yīng)用于各類紅外光電成像與光電探測系統(tǒng)。根據(jù)制備工藝技術(shù)的不同，熱壓ZnS材料和CVD ZnS材料的透明區(qū)在1μm～13μm波段，多光譜ZnS的透明區(qū)則為0.35μm～13μm；熱壓ZnSe材料的透明區(qū)在1μm～20μm波段，CVD ZnSe材料的透明區(qū)則可以拓展到0.5μm～20μm。隨著現(xiàn)代紅外多譜段成像與光電探測系統(tǒng)的發(fā)展，寬譜段共口徑是主要發(fā)展趨勢之一，可以簡化系統(tǒng)、縮小體積和減輕重量，更重要的是可以實現(xiàn)全天候工作，因此對紅外光學(xué)材料提出了寬透明區(qū)的發(fā)展需求。

CVD ZnSe材料具有良好的寬譜段透過性能，能夠滿足寬透明區(qū)的發(fā)展需求，但是其硬度和抗折強(qiáng)度較ZnS材料差，不能滿足高速飛行平臺帶來的雨和灰塵侵蝕的問題。CVD ZnS材料的強(qiáng)度優(yōu)于ZnSe材料，能夠克服高達(dá)1馬赫的飛行速度帶來的影響，但是其透光范圍較ZnSe差。因此，為了將ZnS的抗雨蝕能力和ZnSe優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，人們提出一種ZnS/ZnSe疊層復(fù)合材料，并將ZnS和ZnSe如何制成疊層材料成為紅外光學(xué)材料的重點方向，美國海空戰(zhàn)爭中心武器部曾經(jīng)指出，ZnS/ZnSe疊層材料是紅外窗口和頭罩領(lǐng)域的新尖端材料之一。該疊層材料的特點是利用CVD沉積技術(shù)制備出ZnS和ZnSe，其中ZnS的厚度約為1mm，ZnSe的厚度約為5mm。光波在疊層材料的軸向光學(xué)性能取決于疊層的界面和兩種材料的基本物性，由于兩種材料的物理厚度遠(yuǎn)大于紅外光波的波長尺度，紅外光波的傳輸不能產(chǎn)生相干疊加現(xiàn)象，所以需要用傳統(tǒng)非相干光傳輸理論計算疊層材料的定向光譜熱輻射特性。由于ZnS和ZnSe材料的介電常數(shù)相近，因此在ZnS/ZnSe疊層材料的研究上主要集中于制備工藝技術(shù)，對于疊層材料的定向光譜熱輻射特性理論過程報道較少。但是深入理解光波的傳輸特性對于調(diào)整疊層材料的光學(xué)特性具有重要意義，尤其是可以指導(dǎo)工藝技術(shù)的改進(jìn)方向，獲得工藝調(diào)整的理論依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提出一種二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法，以解決如何確定二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射特性的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法，所述計算方法包括如下步驟：

(1)計算二元疊層光學(xué)材料中各界面的反射率和透射率光譜：

假設(shè)二元疊層光學(xué)材料中，前表面為X介質(zhì)，后表面為Y介質(zhì)，所述X介質(zhì)、Y介質(zhì)和空氣的復(fù)折射率分別為N_A、N_B、N₀，入射角為θ₀，則所述X介質(zhì)和Y介質(zhì)內(nèi)的復(fù)折射角和如公式(1)所示：

二元疊層光學(xué)材料中兩種介質(zhì)疊加共形成三個界面，第1界面的反射率和透射率分別為R₁和T₁；第2界面的反射率和透射率分別為R₂和T₂；第3界面的反射率和透射率分別為R₃和T₃；

根據(jù)公式(2)、(3)和(4)，分別計算第1界面、第2界面和第3界面的反射率，構(gòu)建各界面的反射率光譜：

其中，R_1,s和R_1,p分別為第1界面的S偏振反射率和P偏振反射率，R_2,s和R_2,p分別為第2界面的S偏振反射率和P偏振反射率，R_3,s和R_3p分別為第3界面的S偏振反射率和P偏振反射率；

根據(jù)第1界面的透射率T₁＝1-R₁，第2界面的透射率T₂＝1-R₂，第3界面的透射率T₃＝1-R₃，分別計算所述第1界面、第2界面和第3界面的透射率，構(gòu)建各界面的透射率光譜；

(2)計算二元疊層光學(xué)材料中各介質(zhì)的內(nèi)透過率光譜：

介質(zhì)中復(fù)折射角的正弦和余弦，如公式(5)所示：

其中，s′和s″分別為復(fù)折射角的正弦的實部和虛部，c′和c″分別為復(fù)折射角的余弦的實部和虛部；

介質(zhì)的等效折射率如公式(6)所示：

其中，n和k分別為介質(zhì)的折射率和消光系數(shù)；

光線真實傳播角度與等效折射率的關(guān)系，如公式(7)所示：

等效消光系數(shù)K與等效折射率的關(guān)系，如公式(8)所示：

根據(jù)公式(5)～(8)，計算介質(zhì)的等效折射率和等效消光系數(shù)K；根據(jù)公式(9)計算入射到介質(zhì)表面的折射光波在介質(zhì)內(nèi)部的內(nèi)透過率u：

其中，d為介質(zhì)的幾何厚度，λ為波長；

根據(jù)公式(1)和(5)～(9)，分別計算所述X介質(zhì)和Y介質(zhì)的內(nèi)透過率u_x和u_y，構(gòu)建各介質(zhì)的內(nèi)透過率光譜；

(3)計算等效界面的反射率和透射率光譜：

①將X介質(zhì)等效為界面x，根據(jù)公式(10)，計算從空氣出射的透射率T_x，構(gòu)建從空氣出射的透射率光譜：

根據(jù)公式(11)，計算從Y介質(zhì)出射的反射率R_x，構(gòu)建從Y介質(zhì)出射的反射率光譜：

②將Y介質(zhì)等效為界面y，根據(jù)公式(12)，計算從空氣出射的透射率T_y，構(gòu)建從空氣出射的透射率光譜：

根據(jù)公式(13)，計算從X介質(zhì)方向出射的反射率R_y，構(gòu)建從X介質(zhì)方向出射的反射率光譜：

(4)計算介質(zhì)的雙向定向光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(14)，計算Y介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率ε_Y-front，構(gòu)建Y介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(15)，計算Y介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率ε_Y-rear，構(gòu)建Y介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(16)，計算X介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率ε_X-front，構(gòu)建X介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(17)，計算X介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率ε_X-rear，構(gòu)建X介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(18)，計算二元疊層材料的前表面光譜熱輻射率ε_front，構(gòu)建二元疊層材料的前向光譜熱輻射率光譜：

ε_front＝ε_Y-front+ε_X-front (18)

根據(jù)公式(19)，計算二元疊層材料的后表面光譜熱輻射率ε_rear，構(gòu)建二元疊層材料的后向光譜熱輻射率光譜：

ε_rear＝ε_Y-rear+ε_X-rear (19)。

進(jìn)一步地，所述X介質(zhì)為ZnS，所述Y介質(zhì)為ZnSe。

(三)有益效果

本發(fā)明提出一種二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法，特別是涉及一種ZnS/ZnSe疊層紅外光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法。本發(fā)明通過建立輻射光波在疊層材料軸向傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?，通過光學(xué)非相干傳輸理論，獲得二元疊層材料后的定向光譜熱輻射率，建立了ZnS和ZnSe的基本物性和物理厚度與定向光譜熱輻射率之間的物理關(guān)系，對于二元疊層材料的定向光譜熱輻射率的計算具有普適性，為二元疊層材料的定向光譜熱輻射提供理論依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中二元疊層光學(xué)材料光傳輸示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式中X介質(zhì)等效界面的物理模型示意圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中X介質(zhì)等效界面的熱輻射傳輸物理模型示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式中Y介質(zhì)等效界面的物理模型示意圖；

圖5為本發(fā)明具體實施方式中Y介質(zhì)等效界面的熱輻射傳輸物理模型示意圖；

圖6為本發(fā)明具體實施方式中ZnS的折射率和消光系數(shù)；

圖7為本發(fā)明具體實施方式中ZnSe的折射率和消光系數(shù)；

圖8為本發(fā)明具體實施方式中三個界面的反射率光譜；

圖9為本發(fā)明具體實施方式中ZnS和ZnSe的內(nèi)透過率光譜；

圖10為本發(fā)明具體實施方式中ZnS等效界面的反射率光譜與透射率光譜；

圖11為本發(fā)明具體實施方式中ZnSe等效界面的反射率光譜與透射率光譜；

圖12為本發(fā)明具體實施方式中ZnS/ZnSe疊層材料的前向法向光譜熱輻射率光譜；

圖13為本發(fā)明具體實施方式中ZnS/ZnSe疊層材料的后向法向光譜熱輻射率光譜；

圖14為本發(fā)明具體實施方式中ZnS/ZnSe疊層材料的前向光譜熱輻射角分布；

圖15為本發(fā)明具體實施方式中ZnS/ZnSe疊層材料的后向光譜熱輻射角分布。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明的具體實施方式提出一種二元疊層光學(xué)材料定向光譜熱輻射率的計算方法，該計算方法包括如下步驟：

(1)計算二元疊層光學(xué)材料中各界面的反射率和透射率光譜：

假設(shè)二元疊層光學(xué)材料中，前表面為X介質(zhì)，后表面為Y介質(zhì)，X介質(zhì)、Y介質(zhì)和空氣的復(fù)折射率分別為N_A、N_B、N₀，入射角為θ₀，則X介質(zhì)和Y介質(zhì)內(nèi)的復(fù)折射角和滿足菲涅耳定律，如公式(1)所示：

二元疊層光學(xué)材料中兩種介質(zhì)疊加共形成三個界面，如圖1所示。第1界面的反射率和透射率分別為R₁和T₁；第2界面的反射率和透射率分別為R₂和T₂；第3界面的反射率和透射率分別為R₃和T₃；

當(dāng)光束傾斜入射到介質(zhì)中時，S偏振和P偏振的反射率不同。根據(jù)公式(2)、(3)和(4)，分別計算第1界面、第2界面和第3界面的反射率，構(gòu)建各界面的反射率光譜：

其中，R_1,s和R_1,p分別為第1界面的S偏振反射率和P偏振反射率，R_2,s和R_2,p分別為第2界面的S偏振反射率和P偏振反射率，R_3,s和R_3p分別為第3界面的S偏振反射率和P偏振反射率。

根據(jù)第1界面的透射率T₁＝1-R₁，第2界面的透射率T₂＝1-R₂，第3界面的透射率T₃＝1-R₃，分別計算第1界面、第2界面和第3界面的透射率光譜，構(gòu)建各界面的透射率光譜。

(2)計算二元疊層光學(xué)材料中各介質(zhì)的內(nèi)透過率光譜：

光波在吸收介質(zhì)中以非均勻波方式傳播，等幅面和等相面分離不重合，它們分別有各自的法線方向，只有當(dāng)正入射時，兩個法線方向才是重合的。因此，利用等幅面和等相面的法線方向表征光波的傳輸，在吸收介質(zhì)中使用等效折射率(等相位面法線的模)、等效消光系數(shù)K(等幅面法線的模)和光線真實傳播角度表征光波的傳輸行為。

介質(zhì)中復(fù)折射角的正弦和余弦為復(fù)數(shù)，如公式(5)所示：

其中，s′和s″分別為復(fù)折射角的正弦的實部和虛部，c′和c″分別為復(fù)折射角的余弦的實部和虛部；

介質(zhì)的等效折射率如公式(6)所示：

其中，n和k分別為介質(zhì)的折射率和消光系數(shù)；

光線真實傳播角度與等效折射率的關(guān)系滿足菲涅耳折射定律，如公式(7)所示：

等效消光系數(shù)K與等效折射率的關(guān)系，如公式(8)所示：

根據(jù)公式(5)～(8)，計算介質(zhì)的等效折射率和等效消光系數(shù)K；根據(jù)公式(9)計算入射到介質(zhì)表面的折射光波在介質(zhì)內(nèi)部的內(nèi)透過率u：

其中，d為介質(zhì)的幾何厚度，λ為波長；

根據(jù)公式(1)和(5)～(9)，分別計算X介質(zhì)和Y介質(zhì)的內(nèi)透過率u_x和u_y，構(gòu)建各介質(zhì)的內(nèi)透過率光譜；

(3)計算等效界面的反射率和透射率光譜：

①Y介質(zhì)的前向熱輻射需要通過X介質(zhì)，將X介質(zhì)等效為界面x，如圖2所示。如圖3所示，當(dāng)光波從Y介質(zhì)入射到X介質(zhì)中時，光波在第1界面和第2界面之間多次反射傳輸，在空氣中出射和在Y介質(zhì)中出射，從空氣出射的光束能量線性疊加，就是X介質(zhì)等效界面后的透射率T_x；同理，從Y介質(zhì)出射的光束能量線性疊加，就是X介質(zhì)等效界面后的反射率R_x。

根據(jù)公式(10)，計算從空氣出射的透射率T_x，構(gòu)建從空氣出射的透射率光譜：

根據(jù)公式(11)，計算從Y介質(zhì)出射的反射率R_x，構(gòu)建從Y介質(zhì)出射的反射率光譜：

②X介質(zhì)的后向熱輻射需要通過Y介質(zhì)，將Y介質(zhì)等效為界面y，如圖4所示。如圖5所示，當(dāng)光波從X介質(zhì)入射到Y(jié)介質(zhì)中時，光波在第2界面和第3界面之間多次反射傳輸，在X介質(zhì)中出射和在空氣中出射，從空氣出射的光束能量線性疊加，就是Y介質(zhì)等效界面后的透射率T_y；同理，從X介質(zhì)出射的光束能量線性疊加，就是Y介質(zhì)等效界面后的反射率R_y。

根據(jù)公式(12)，計算從空氣出射的透射率T_y，構(gòu)建從空氣出射的透射率光譜：

根據(jù)公式(13)，計算從X介質(zhì)方向出射的反射率R_y，構(gòu)建從X介質(zhì)方向出射的反射率光譜：

(4)計算介質(zhì)的雙向定向光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)McMahon半透明平行平板材料的熱輻射理論，在此考慮熱輻射率的溫度、波長和材料厚度的關(guān)系，

根據(jù)公式(14)，計算Y介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率ε_Y-front，構(gòu)建Y介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(15)，計算Y介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率ε_Y-rear，構(gòu)建Y介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(16)，計算X介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率ε_X-front，構(gòu)建X介質(zhì)的前表面光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(17)，計算X介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率ε_X-rear，構(gòu)建X介質(zhì)的后表面光譜熱輻射率光譜：

對于二元疊層材料的總輻射率，前表面的光譜熱輻射率相加、后表面的光譜熱輻射率相加，即可得到雙向光譜熱輻射率，并構(gòu)建雙向光譜熱輻射率光譜：

根據(jù)公式(18)，計算二元疊層材料的前表面光譜熱輻射率ε_front，構(gòu)建二元疊層材料的前表面光譜熱輻射率光譜：

ε_front＝ε_Y-front+ε_X-front (18)

根據(jù)公式(19)，計算二元疊層材料的后表面光譜熱輻射率ε_rear，構(gòu)建二元疊層材料的后表面光譜熱輻射率光譜：

ε_rear＝ε_Y-rear+ε_X-rear (19)。

實施例

二元疊層光學(xué)材料選擇ZnS/ZnSe疊層光學(xué)材料。ZnS的厚度d_X為1mm，ZnSe的厚度d_Y為5mm，計算波長范圍為3μm-14μm，計算步長為0.005μm。入射角為0°。根據(jù)圖(6)和圖(7)分別確定ZnS和ZnSe的折射率和消光系數(shù)。

1、根據(jù)公式(1)～(4)，計算并構(gòu)建ZnS/ZnSe疊層光學(xué)材料中3個界面的反射率光譜。計算結(jié)果如圖8所示。根據(jù)第1界面的透射率T₁＝1-R₁；第2界面的透射率T₂＝1-R₂；第3界面的透射率T₃＝1-R₃，計算并構(gòu)建三個界面的透射率光譜。

2、根據(jù)公式(1)和(5)～(9)，分別計算并構(gòu)建ZnS和ZnSe的內(nèi)透過率光譜。計算結(jié)果如圖9所示。

3、根據(jù)公式(10)和(11)，分別計算并構(gòu)建ZnS等效界面的從ZnSe方向出射的反射率光譜和從空氣出射的透射率光譜。計算結(jié)果如圖10所示。根據(jù)公式(12)和(13)，分別計算并構(gòu)建ZnSe等效界面的從ZnS方向出射的反射率光譜和從空氣出射的透射率光譜。計算結(jié)果如圖11所示。

4、根據(jù)公式(14)至(19)，分別計算并構(gòu)建ZnS/ZnSe疊層材料的前后向光譜熱輻射率光譜。計算結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

5、考慮到輻射角度從0°-90°，步長為0.1°，每個角度下重復(fù)上述步驟，計算出的定向光譜前向輻射率和后向輻射率，分別如圖14和圖15所示。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。