CN108828704A - 一种红外激光隔断光子晶体薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外激光隔断光子晶体薄膜，包括：基底层和位于所述基底层上的红外激光光子晶体隔断层，所述红外激光光子晶体隔断层用于阻隔红外激光；其中，所述红外激光光子晶体隔断层包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构。本发明提供的红外激光隔断光子晶体薄膜，由于采用光子晶体作为红外激光光子晶体隔断层，利用光子晶体的禁带宽度有效阻隔红外激光，极大降低了薄膜对红外激光的透过率，从而利用本发明提供薄膜能够对穿窗激光语音信息泄漏起到很好的被动防护作用。
Description
技术领域
本发明涉及安全技术领域，具体涉及一种红外激光隔断光子晶体薄膜。
背景技术
随着激光技术的发展，穿窗漫反射激光语音获取是语音信息泄漏的重要泄漏源之一，而对穿窗漫反射激光语音获取本身是一个比较新型的领域，因此对其防护手段相对比较少，现有的主要防护措施主要有基于激光语音获取需要有光学天线所具备“猫眼效应”的特征，设计出的主动式激光语音查找系。在实际场景中，主动查找***相对比较繁琐，并且存在漏报、误报的可能性，因而没有专门的主动防穿窗红外激光语音泄漏的防护保护措施。
而对于被动防红外激光的方法，目前大多利用包含红外线阻断粒子的涂层来阻止红外激光，这种方式的阻隔效果非常差，特别是在1000nm波段附近，其透过率高达60％，甚至在1550nm波段，其透过率也远高于10％，而对于高灵敏的激光语音获取***，该衰减量几乎可以忽略，从而不会影响其工作效果。
因此，随着信息安全的重要性提升，有效的被动防护方法变得越来越迫切。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种红外激光隔断光子晶体薄膜。
具体地，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种红外激光隔断光子晶体薄膜，包括：基底层和位于所述基底层上的红外激光光子晶体隔断层，所述红外激光光子晶体隔断层用于阻隔红外激光；
其中，所述红外激光光子晶体隔断层包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构。
进一步地，所述薄膜还包括：保护层；所述保护层设置在所述红外激光光子晶体隔断层的表面，用于保护所述红外激光光子晶体隔断层。
进一步地，所述薄膜还包括：粘合层；所述粘合层设置在所述基底层远离红外激光光子晶体隔断层的一侧，用于将所述薄膜与其他表面进行粘接。
进一步地，所述光子晶体为采用高低两种折射率的材料交替排列形成的周期性结构。
进一步地，所述红外激光光子晶体隔断层包括一个光子晶体；该光子晶体的中心波长为λ0，该光子晶体包括N个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层和第二膜层，其中，第一膜层由第一折射率的材料组成，第二膜层由第二折射率的材料组成。
进一步地，所述光子晶体包括4个折射率变化周期；具体地，所述光子晶体包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层和第二膜层。
进一步地，所述第一膜层和所述第二膜层的厚度根据下面关系确定：
其中，λ0为光子晶体的中心波长，λ0的取值范围为800nm～1950nm，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2分别为第一膜层和第二膜层的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度。
进一步地，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的两个光子晶体；分别为第一光子晶体和第二光子晶体，所述第一光子晶体的中心波长为λ0，所述第二光子晶体的中心波长为λ1；λ0与λ1不相等；
所述第一光子晶体包括N1个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层和第二膜层，其中，第一膜层由第一折射率的材料组成，第二膜层由第二折射率的材料组成；
所述第二光子晶体包括N2个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第三膜层和第四膜层，其中，第三膜层由第一折射率的材料组成，第四膜层由第二折射率的材料组成。
进一步地，所述第一光子晶体包括4个折射率变化周期；所述第二光子晶体包括4个折射率变化周期；
具体地，所述第一光子晶体包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层和第二膜层；
所述第二光子晶体包括依次设置的第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层和第四膜层；
相应地，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层和第四膜层。
进一步地，所述第一膜层和所述第二膜层的厚度根据下面关系确定：
所述第三膜层和所述第四膜层的厚度根据下面关系确定：
其中，λ0为第一光子晶体的中心波长，λ1为第二光子晶体的中心波长，λ0和λ1的取值范围均为800nm～1950nm，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2、h3、h4分别为第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度，L3是第三禁带宽度，L4是第四禁带宽度。
由上述技术方案可知，本发明提供的红外激光隔断光子晶体薄膜，包括：基底层和位于所述基底层上的红外激光光子晶体隔断层，所述红外激光光子晶体隔断层用于阻隔红外激光；其中，所述红外激光光子晶体隔断层包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构，所述光子晶体利用其自身的光子禁带阻隔红外激光。可见，本发明巧妙地利用光子晶体作为红外激光光子晶体隔断层，利用光子晶体的禁带宽度有效阻隔红外激光，从而极大降低了薄膜对红外激光的透过率，从而利用本发明提供薄膜可以对穿窗激光语音信息泄漏起到很好的被动防护作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的红外激光隔断光子晶体薄膜的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的红外激光光子晶体隔断层的一种结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的红外激光光子晶体隔断层的另一种结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的红外激光光子晶体隔断层的又一种结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的红外激光光子晶体隔断层的另又一种结构示意图；
图6是本发明一实施例提供的红外激光光子晶体隔断层的再又一种结构示意图；
图7是本发明一实施例提供的近红外激光衰减示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的红外激光隔断光子晶体薄膜的结构示意图，参见图1，本实施例提供的红外激光隔断光子晶体薄膜包括：基底层3和位于所述基底层3上的红外激光光子晶体隔断层2，所述红外激光光子晶体隔断层2用于阻隔红外激光，例如可以阻止用于激光窃听的红外激光穿透薄膜而进入敏感部位；
其中，所述红外激光光子晶体隔断层2包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构，所述光子晶体利用其自身的光子禁带阻隔红外激光。
需要说明的是，在制备所述红外激光光子晶体隔断层2时，可以在基底层3表面通过磁控溅射的方式交替喷镀高低折射率的材料，进而得到光子晶体。
可以理解的是，所述基底层3的存在是为光子晶体的生长提供一个依托，进而保证光子晶体涂层(也即红外激光光子晶体隔断层2)均匀，从而可以使其性能得到保障。所述基底层3可以采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)制备。需要说明的是，所述基底层3并不具有限定本发明保护范围的作用，也即即便没有所述基底层3，也不影响本发明解决其技术问题。也就是说只要包含上述红外激光光子晶体隔断层2，不管有没有基底层3，都属于本发明的保护范围。
由上面描述可知，本实施例提供的红外激光隔断光子晶体薄膜，包括：基底层和位于所述基底层上的红外激光光子晶体隔断层，所述红外激光光子晶体隔断层用于阻隔红外激光；其中，所述红外激光光子晶体隔断层包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构，所述光子晶体利用其自身的光子禁带阻隔红外激光。可见，本实施例巧妙地利用光子晶体作为红外激光光子晶体隔断层，利用光子晶体的禁带宽度有效阻隔红外激光，从而极大降低了薄膜对红外激光的透过率，从而利用本实施例提供薄膜可以对穿窗激光语音信息泄漏起到很好的被动防护作用。
此外，需要说明的是，为保护所述红外激光光子晶体隔断层2不受外部力量伤害或外界环境影响，优选地，参见图1，所述薄膜还包括：保护层1；所述保护层1设置在所述红外激光光子晶体隔断层2的表面，用于保护所述红外激光光子晶体隔断层2。由于氧化铟锡(ITO)薄膜的附着力强，抗顶破和磨损性能良好，因此，优选地，所述保护层1可以采用氧化铟锡(ITO)薄膜实现。
此外，需要说明的是，为方便所述薄膜的使用，优选地，参见图1，所述薄膜还包括：粘合层4；所述粘合层4设置在所述基底层3远离红外激光光子晶体隔断层2的一侧，所述粘合层4用于将所述薄膜与其他表面进行粘接。所述粘合层4可以采用二甲苯和正丁醇混合制备得到。
可见，本实施例提供了一种近红外激光隔断效果好且机械强度高的光子晶体薄膜。下面对本发明实施例提供的红外激光隔断光子晶体薄膜的工作原理进行详细介绍。
由于光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构，通过这种周期变化，在光子晶体的色散谱上可以形成光子禁带，当光子的能量或波长落入光子禁带的范围内，该光子则无法进入或通过光子晶体，本实施例正是利用光子晶体的这一特性，实现红外激光的阻隔。在具体实施时，所述光子晶体可以为采用高低两种折射率的材料交替排列形成的周期性结构，也可以为采用高低多种(如三种、四种或更多种)折射率的材料交替排列形成的周期性结构。由于采用高低两种折射率的材料交替排列形成的周期性结构对红外激光的阻隔效果较之采用高低多种折射率的材料交替排列形成的周期性结构的阻隔效果要好，因此，下面将以采用高低两种折射率的材料交替排列形成的周期性结构的光子晶体为例进行说明。
在一种实施方式中，所述红外激光光子晶体隔断层2包括一个光子晶体；该光子晶体的中心波长为λ0，该光子晶体包括N个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层和第二膜层，其中，第一膜层由第一折射率的材料组成，第二膜层由第二折射率的材料组成。
例如，参见图2，图2所示的红外激光光子晶体隔断层只包含1个折射率变化周期，也即图2所示的红外激光光子晶体隔断层只包含1个第一膜层h11和1个第二膜层h12。
又如，参见图3，图3所示的红外激光光子晶体隔断层包含2个折射率变化周期，也即图3所示的红外激光光子晶体隔断层包含2个第一膜层h11和2个第二膜层h12。
又如，参见图4，图4所示的红外激光光子晶体隔断层包含3个折射率变化周期，也即图4所示的红外激光光子晶体隔断层包含3个第一膜层h11和3个第二膜层h12。
又如，参见图5，图5所示的红外激光光子晶体隔断层包含4个折射率变化周期，也即图5所示的红外激光光子晶体隔断层包含4个第一膜层h11和4个第二膜层h12。
需要说明的是，光子晶体的中心波长λ0可以根据需要选择800nm～1950nm中的任意数值。在确定完中心波长λ0后，可以根据如下关系确定所述第一膜层和所述第二膜层的厚度：
其中，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2分别为第一膜层h11和第二膜层h12的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度，第一禁带宽度和第二禁带宽度为λ0/4。
其中，中心波长λ0的选取跟需要进行隔断的激光的波长范围有关。此外，红外激光光子晶体隔断层包含的折射率变化周期数和需要进行隔断的激光的波长范围以及可接受的最高透过率有关。因此，为提高激光阻隔效率，采用4个周期的光子晶体肯定比采用1个周期的光子晶体的阻隔效果要好。
在本实施例的另一种实施方式中，为进一步提高红外激光阻隔效果，对所述红外激光光子晶体隔断层2的禁带宽度进行拓宽。具体地，本实施方式通过异质结频域叠加法实现光学禁带的拓宽。具体处理方式为：改变一个光子晶体的晶格常数，其光学禁带相对于另一个光子晶体的光学禁带往高频或低频方向“迁移”，使得两个光子晶体的禁带相互叠加从而达到拓展禁带宽度的目的。
具体地，参见图6，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的两个光子晶体；分别为第一光子晶体和第二光子晶体，所述第一光子晶体的中心波长为λ0，所述第二光子晶体的中心波长为λ1；λ0与λ1不相等；
所述第一光子晶体包括N1个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层h11和第二膜层h12，其中，第一膜层h11由第一折射率的材料组成，第二膜层h12由第二折射率的材料组成；
所述第二光子晶体包括N2个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第三膜层h21和第四膜层h22，其中，第三膜层h21由第一折射率的材料组成，第四膜层h22由第二折射率的材料组成。
例如，参见图6，所述N1取值为4，所述N2取值也为4，也即所述第一光子晶体包括4个折射率变化周期；所述第二光子晶体包括4个折射率变化周期；具体地，所述第一光子晶体包括依次设置的第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11和第二膜层h12；所述第二光子晶体包括依次设置的第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21和第四膜层h22；相应地，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11、第二膜层h12、第一膜层h11、第二膜层h12、第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21、第四膜层h22、第三膜层h21和第四膜层h22。
由图6可知，对光子晶体采用同质4层与异质拓展的方式进行组合，通过这种结合，不但有效降低了激光透过率，而且拓宽了光子晶体禁带宽度，从而实现对入侵的近红外激光进行有效的屏蔽，进而可以有效的防止近红外激光通过可视部分入侵敏感部位。
在一种实现方式中，所述λ0取值为1200nm，λ1取值为1500nm，也即两种异质结的中心频率分别为1200nm和1500nm，这两种中心波长的光子晶体禁带相互叠加，从而实现拓宽禁带宽度。可见，本实施例所述光子晶体采用异质结频域叠加法拓展阻隔波长范围，从而可以有效地隔断衰减。
需要说明的是，第一光子晶体和第二光子晶体的中心波长λ0和λ1可以根据需要选择800nm～1950nm中的任意数值。在确定完中心波长λ0和λ1可后，可以根据如下关系确定第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层的厚度：
其中，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2、h3、h4分别为第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度，L3是第三禁带宽度，L4是第四禁带宽度。
在一种实现方式中，所述第一折射率的材料可以选用TiO2，其折射率n1＝2.4，所述第二折射率的材料可以选用MgF2，其折射率n2＝l.38。当然，根据需要第一折射率的材料和第二折射率的材料还可以选择其他材料，本发明对此不作限定。
参见图7所示的近红外激光衰减图，根据要求，本实施例只测试红外截止滤光的透射率，使用分光光度计测量，其测试的结果如图7。由图7可知，本实施例提供的薄膜可以对入侵的近红外激光实现有效的屏蔽，进而可以有效的防止近红外激光通过可视部分入侵敏感部位。
此外，本实施例还给出了所述红外激光隔断光子晶体薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
选择一个PVB材料基底，在该基底上采用离子辅助沉积技术制备一个厚度h1＝λ0/(4×n1)＝125nm的TiO2膜h11(λ0＝1200nm)，接着镀厚度为h2＝λ0/(4×n2)＝217.4nm的MgF2膜h12，按TiO2-MgF2-TiO2-MgF2-TiO2-MgF2-TiO2-MgF2材料厚度分别为h1和h2镀4层，然后再镀h3＝λ1/(4×n1)＝156.25nm的TiO2膜h21(λ1＝1500nm)，接着镀厚度为h4＝λ1/(4×n2)＝271.74nm的MgF2膜h22，按TiO2-MgF2-TiO2-MgF2-TiO2-MgF2-TiO2-MgF2材料厚度分别为h3和h4镀4层，在镀完光子晶体层后，在在光子晶体层上镀ITO材料，以用于防止光子晶体受损，最后在基底的另一侧进行喷胶，进而得到所述红外激光隔断光子晶体薄膜。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种红外激光隔断光子晶体薄膜，其特征在于，包括：基底层和位于所述基底层上的红外激光光子晶体隔断层，所述红外激光光子晶体隔断层用于阻隔红外激光；
其中，所述红外激光光子晶体隔断层包括光子晶体，所述光子晶体为采用高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，还包括：保护层；所述保护层设置在所述红外激光光子晶体隔断层的表面，用于保护所述红外激光光子晶体隔断层。
3.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，还包括：粘合层；所述粘合层设置在所述基底层远离红外激光光子晶体隔断层的一侧，用于将所述薄膜与其他表面进行粘接。
4.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述光子晶体为采用高低两种折射率的材料交替排列形成的周期性结构。
5.根据权利要求4所述的薄膜，其特征在于，所述红外激光光子晶体隔断层包括一个光子晶体；该光子晶体的中心波长为λ0，该光子晶体包括N个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层和第二膜层，其中，第一膜层由第一折射率的材料组成，第二膜层由第二折射率的材料组成。
6.根据权利要求5所述的薄膜，其特征在于，所述光子晶体包括4个折射率变化周期；具体地，所述光子晶体包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层和第二膜层。
7.根据权利要求5或6所述的薄膜，其特征在于，所述第一膜层和所述第二膜层的厚度根据下面关系确定：
其中，λ0为光子晶体的中心波长，λ0的取值范围为800nm～1950nm，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2分别为第一膜层和第二膜层的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度。
8.根据权利要求4所述的薄膜，其特征在于，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的两个光子晶体；分别为第一光子晶体和第二光子晶体，所述第一光子晶体的中心波长为λ0，所述第二光子晶体的中心波长为λ1；λ0与λ1不相等；
所述第一光子晶体包括N1个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第一膜层和第二膜层，其中，第一膜层由第一折射率的材料组成，第二膜层由第二折射率的材料组成；
所述第二光子晶体包括N2个折射率变化周期，每个折射率变化周期包括第三膜层和第四膜层，其中，第三膜层由第一折射率的材料组成，第四膜层由第二折射率的材料组成。
9.根据权利要求8所述的薄膜，其特征在于，所述第一光子晶体包括4个折射率变化周期；所述第二光子晶体包括4个折射率变化周期；
具体地，所述第一光子晶体包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层和第二膜层；
所述第二光子晶体包括依次设置的第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层和第四膜层；
相应地，所述红外激光光子晶体隔断层包括依次设置的第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层、第四膜层、第三膜层和第四膜层。
10.根据权利要求8或9所述的薄膜，其特征在于，所述第一膜层和所述第二膜层的厚度根据下面关系确定：
所述第三膜层和所述第四膜层的厚度根据下面关系确定：
其中，λ0为第一光子晶体的中心波长，λ1为第二光子晶体的中心波长，λ0和λ1的取值范围均为800nm～1950nm，n1、n2分别为第一折射率和第二折射率，h1、h2、h3、h4分别为第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层的厚度，L1是第一禁带宽度，L2是第二禁带宽度，L3是第三禁带宽度，L4是第四禁带宽度。
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