摘要: 相较于单频段光电探测系统，由两种或三种单频段光电探测系统复合而成的多频段光电探测系统具备更加优良的环境适应性、观测能力及观测精度，在现今航空航天、天文观测、军事侦察等领域的光电探测技术中扮演着重要的角色。其中可见光/红外/微波多频段... 展开 相较于单频段光电探测系统，由两种或三种单频段光电探测系统复合而成的多频段光电探测系统具备更加优良的环境适应性、观测能力及观测精度，在现今航空航天、天文观测、军事侦察等领域的光电探测技术中扮演着重要的角色。其中可见光/红外/微波多频段光电探测系统可综合各单频段光电探测技术的优势，实现全天时、全天候工作，具备反隐身及抗电子干扰等特性。 考虑到系统的体积及重量，多频段光电探测系统内部应结合分光器件实现多频段信号的共孔径收集及分离，但目前基于多层介质膜分光器件的多频段共口径分束方法存在微波损耗大的问题。对多频段光电探测系统外部观测窗口而言，现有材料无法在保持高可见光-红外透过率及不改变基底面型的情况下调控结构的微波散射特性。因此，急需新的共口径分束方法及能够兼顾高可见光-红外透过率与灵活调控微波后向散射特性的多频段电磁波调控技术，以提升多频段光电探测系统的性能。 针对上述问题，本文旨在为多频段光电探测技术提供新的共口径分束方法及适用于外部观测窗口的可兼顾高可见光-红外透过率及灵活调控微波后向散射特性的多频段电磁波调控方法。通过制备功能性样件、搭建测试平台，对所提出方法进行实验验证。论文的主要研究内容为： 1. 对金属栅格电磁超材料（electromagnetic metamaterial based on metal mesh， EMMM）微波散射特性展开研究。针对现有 EMMM 复等效折射率模型中结构参数对微波散射特性的作用机理不明的问题，对EMMM的复等效折射率模型及微波散射特性展开研究。通过定量分析EMMM的反射及透射特性，修订复等效折射率模型，完善EMMM的电学特性分析方法，明确EMMM的微波散射特性，获取高透光前提下EMMM微波段等效金属膜条件，为调控EMMM的微波后向散射特性提供理论基础及技术指导。 2. 对EMMM光学衍射特性展开研究。针对现有EMMM光学衍射特性求解方法不适用于EMMM结构复杂及倾斜于光轴情形的问题，提出基于坐标变换与离散傅里叶变换的光学衍射特性求解法（optical diffraction characteristics solving method based on coordinate transformation and discrete Fourier transform，OMCDFT）。基于OMCDFT探究引入EMMM对光电探测系统成像性能造成的影响，定义综合光学评价因子评价EMMM的衍射场。数值计算结果表明当随机度由(0, 0)增加为(50%, 50%)时，EMMM衍射场的综合光学性能得到有效提升。制备方格EMMM和裂纹EMMM并进行测试，实验结果表明，裂纹EMMM的光学性能优于方格EMMM的光学性能。上述研究为减小引入EMMM对多频段光电探测系统光学性能造成的影响提供了理论依据和参数选取指导。 3. 针对基于多层介质膜分光器件的多频段共口径复合结构微波损耗大的问题，提出基于曲面基底EMMM微波后向散射的馈源后置三频段共口径分束方法。对基底厚度、入射角等参量对EMMM微波后向散射特性的影响进行分析，进而利用曲面基底 EMMM 后向散射微波，构建短波红外/长波红外探测器前置，微波馈源后置的三频段共口径复合结构。通过制备功能样件，搭建测试平台测试结构的性能，验证所提出分束方法的可行性。实验结果表明，三频段共口径复合结构实现了对10 μm、3 μm和3.19 mm信号的收集与分离；在上述复合结构基础上构建的系统对94 GHz微波的增益为35.72 dB，相较于基于金属膜次镜的系统，由EMMM次镜引起的微波损耗为0.61 dB。 4. 为了在不改变多频段光电探测系统外部观测窗口基底面型的条件下调控微波散射特性，提出基于图案化EMMM的光学窗口微波散射特性调控方法。该方法将EMMM图案化以构建微波段等效阻抗可调的光学透明微波谐振单元，通过调节单元结构参数实现其微波反射相位的改变，在高可见光-红外透过率及不改变基底面型的条件下，调控光学窗口微波散射特性。基于该方法分别实现了球冠状曲面光学窗口19 GHz处的虚拟赋形和平面光学窗口19 GHz ~ 23 GHz频段内的雷达散射截面（radar cross section，RCS）缩减。在平面光学窗口上加工所设计的结构并测试样品RCS缩减性能及透光性能，验证所提出方法的可行性。 收起