兼容热管理与红外隐身的逆向设计

论文信息：

Guoqing Xu, Qianlong Kang, Xizheng Zhang, Wei Wang, Kai Guo, Zhongyi Guo. Inverse-design laser-infrared compatible stealth with thermal management enabled by wavelength-selective thermal emitter, Applied Thermal Engineering, 124063 (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124063

研究背景

随着多波段探测技术的快速发展，对具有热管理的多波段隐身技术的需求不断增加。红外隐身技术的工作原理是降低目标与背景之间的热辐射强度差异，使得红外探测器难以探测目标。根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与其表面发射率(ε)和温度(T)的四次方成正比，而控制发射率比控制温度更简单。过去十几年间，研究人员通过经验来设计初始结构。然后，对结构参数进行扫描，得到产生理想光学响应的最佳参数，这种方法非常耗时，效率很低。因此本文提出了一种基于逆向设计的波长选择热发射器（WSTE）。逆向设计方法极大地提高了WSTE的设计效率，利用遗传算法（GA）来优化每个WSTE层的厚度。通过改变GST的结晶分数，WSTE可以实现对3-14μm波长范围内的热辐射的动态控制。证明了WSTE在辐射冷却和红外隐形中具有广泛的应用前景。

研究内容

具有多波段隐身和热管理的WSTE如图1(a)所示，WSTE在两个大气透明窗口（3-5μm、8-14μm）实现红外隐身，在非大气窗口（5-8μm）实现辐射散热，在1.06μm、1.55μm和10.6μm波长实现激光隐身。WSTE由交替排列的ZnS/GST层和一个Ni基底组成，这是一种多层超材料。红外波段的大气透过率用图1(b)中的绿色阴影区域表示，大多数红外探测器在大气透明窗口（3- 5μm，8-14μm）两个波段工作。非大气窗口带（5-8μm）中的光被大气中的分子和杂质阻挡、散射和反射。因此，非大气窗口波段被认为是一个不可检测的波段。图1(b)中黑色的实线表示理想的发射率/吸收率光谱，绿色的阴影表示大气的透射率。低发射率是红外隐身的关键标准，辐射散热是通过非大气窗口的高辐射实现的，激光隐身主要依靠探测波长的高吸收，防止激光探测器接收到目标的回波信号。

图1(a)具有多波段隐身和热管理的WSTE(b)红外波段的大气透射率和理想发射率/吸收光谱。

为了追求高效的设计解决方案，优化算法已被广泛应用于超材料设计领域。本文采用遗传算法对WSTE各层的厚度进行了优化，具体过程如图2所示。每层的厚度分别记为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7。首先，将1- 14μm的波长范围均匀离散为131个间隔点，相邻间隔点之间的距离为0.1μm。然后，利用传输矩阵法（TMM）计算初始种群中每个个体对应的发射光谱。将个体发射谱与目标发射谱之间的欧几里得范数作为遗传算法的优点图（FOM）。

图2. GA优化过程流程图。

发射率是描述物体热辐射特性的一个关键参数。由GA和TMM得到的WSTE的光谱发射率如图3 (a)中的黑色实线所示。为了验证GA和TMM得到的发射率的精度，我们再次使用有限元法（FEM）计算了WSTE的光谱发射率，如图3(a)中的红色实线所示。此外辐射强度是描述物体辐射能力的一个物理量，它可以分析不同温度下的热辐射过程，并研究其辐射特性。WSTE不仅可用于多波段隐身，还可用于辐射散热，因为它在未探测波段（5-8μm）的强大辐射能力。图3(b)显示了T = 426K波长范围内WSTE和黑体的辐射强度。经计算，WSTE在3-5μm、5-8μm和8-14μm波段的平均发射率分别为0.12、0.72和0.22。WSTE在两个红外波段的低平均发射率表明它具有良好的红外隐身能力。

图3(a)黑线表示GA和TMM得到的光谱吸收率/发射率，红线表示有限元模拟得到的光谱吸收率/发射率。(b)在T = 426K的温度下，黑体和WSTE的辐射强度。

根据基尔霍夫的热辐射定律，一个良好发射器同样也是一个良好的吸收器。为了揭示WSTE的物理机制，计算出WSTE在1.06μm、1.55μm、6.2μm和10.6μm波长下的归一化电场和功率损耗分布，如 图4 所示。可以看出，在1.06μm和1.55μm的波长下，电场主要位于顶部硫化锌层，因为cGST层在近红外波段有损耗，导致电场快速衰减。在波长为6.2μm和10.6μm的波长处，cGST层和硫化锌层形成了FP空腔，其高吸收主要来自于FP共振。因此，电场主要位于硫化锌层中。WSTE的功率损耗分布如图4中的红线所示。在6.2μm和10.6μm的波长下，Ni反射器吸收了大部分的能量，部分能量也被cGST层吸收。在1.06μm和1.55μm的波长下，cGST层吸收了所有的能量。因此，cGST和Ni在波长选择性热辐射中起着重要的作用。

图4在波长分别为1.06μm、1.55μm、6.2μm和10.6μm时，WSTE的归一化电场和功率损耗分布。

近红外和中波波段的波长差异导致顶层薄膜厚度的微小变化，对近红外波段的影响远远大于对中波波段的影响。因此，可以通过逆向设计优化WSTE的顶层厚度来实现激光红外兼容隐身。为了验证顶层厚度的微小变化对近红外波段的影响远远大于中波红外波段，分别模拟了顶层硫化锌层厚度对近红外和中波红外波段吸收特性的影响，如图5所示。可以观察到，随着顶部硫化锌层的厚度从700nm增加到1000nm，在近红外波段的吸收峰有一个显著的变化。相比之下，3-14μm波段的吸收峰变化不明显，在10.6μm时的吸收率保持在85%以上。

图5随着顶部硫化锌厚度的变化，WSTE在(a)1-3μm和(b)3-14μm波长范围内的光谱吸收率/发射率。

辐射温度Trad与平均发射率ε之间的关系曲线，如图6(a)所示。为了演示WSTE的红外隐身性能，我们模拟了WSTE和背景板的MWIR和LWIR热图像，如图6(b)所示。在MWIR波段，当周围环境Tsur的温度为27°C，铝板的温度为30°C时，WSTE分别被加热到37°C、77°C和117°C。计算得到的WSTE的辐射温度分别为28.3°C、34.4°C和42.5°C。铝板的辐射温度为27.3°C。可以观察到，WSTE的辐射温度远低于其在MWIR波段的实际温度，这表明了良好的MWIR隐身性能。同样，在LWIR波段，WSTE的辐射温度也远低于其实际温度，这可以显示出优异的LWIR隐身性能。由于WSTE在MWIR波段的平均发射率低于LWIR波段，因此在相同温度下，MWIR波段WSTE的辐射温度低于LWIR波段的辐射温度。

图6(a)不同物体温度（Tobj）下的辐射温度（Trad）与平均发射率(ε)之间的关系曲线。(b)WSTE在37°C、77°C和117°C下的MWIR和LWIR图像。

通常，大多数红外探测器和激光雷达可以在不同的观测角度探测目标。因此，有必要对WSTE在不同入射角下的发射光谱进行研究，以验证WSTE在不同观测角度下的隐身性能。如图7(a)所示，当入射角小于60°时，WSTE的发射光谱基本保持不变，说明在大入射角范围内，WSTE仍能保持激光-红外隐身和辐射散热。当入射角从60°增加到70°时，WSTE的发射光谱逐渐增加，因为WSTE与入射介质之间的阻抗匹配条件随入射角的变化而变化。由于WSTE是一种各向同性结构，它可以保证不同偏振角下信号的一致性。WSTE在红外隐身应用方面也有优势。由于WSTE不受偏振角的影响，因此它能够在不同的入射角和偏振状态下保持低辐射特性，从而产生更有效的红外隐身效应。如图7(b)所示，随着偏振角从0°增加到90°，WSTE的发射光谱基本保持不变，说明偏振角对WSTE的辐射散热、红外隐身和激光隐身性能没有影响。

图7(a)入射角的WSTE的光谱发射率。(b)偏振角从0º到90º变化的WSTE的光谱发射率。

结论与展望

作者提出了一种由ZnS/GST多层薄膜和Ni反射器组成的WSTE，采用逆向设计方法，可以实现激光-红外隐身和辐射散热。首先，通过结合目标发射光谱和遗传算法，可以准确、快速地得到WSTE的结构参数。通过有限元法验证了TMM反设计的准确性。该WSTE可以实现MWIR、LWIR和激光隐身，并具有优异的辐射散热性能。仿真结果表明，WSTE在MWIR和LWIR中具有低光谱发射率（ε3-5μm = 0.12，ε8-14μm = 0.22），在非大气窗口中具有高光谱发射率（ε5-8μm = 0.72），在三个激光波长中具有高吸收率（ε1.06μm = 0.90，ε1.55μm = 0.97，ε10.6μm = 0.91）。其次，WSTE可以通过控制GST的结晶分数来实现对3-14µm波长范围内的热辐射的动态控制。对WSTE的红外图像进行了仿真，验证了其红外隐身性能。最后，研究了入射角和偏振角对WSTE发射光谱的影响，证明了激光-红外隐身和辐射散热对两者都不敏感。因此WSTE在光管理、能源利用和军事安全等先进光子学应用方面具有广阔的前景。

以下为广告部分

招聘信息| 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收联合培养研究生、科研助理和博士后

点击下图查看详细招聘信息！

点/击/上/图/查/看/详/细/招/聘/信/息

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com

微信：wuxiaohu_1992