哈工大王富强教授课题组Opt. Commun.: 具有双频热管理的双波段红外伪装超材料的逆向设计

红外探测技术在军事领域的应用给军事目标的生存带来了极大的威胁。为了提高军事目标的生存能力，开发有效的红外伪装技术是迫切和必要的。红外探测设备是通过捕捉红外辐射信号来寻找军事目标的，相应地，红外伪装技术需要在红外探测波段内有效削弱目标表面的红外辐射强度。早期研究者们尝试使用在整个红外波段具有低发射率的功能材料来减弱目标在红外探测波段的辐射强度。但这种方法的辐射散热能力有限，会导致物体温度升高和热不稳定性。具有热管理功能的红外伪装光学超材料是一种既能躲避在不同红外波段工作的各种热成像仪的探测，又能保证目标热稳定性的人工结构。然而，设计出这样的光学超材料是极具挑战性的，因为需要同时优化多个结构参数，特别是具有多种功能兼容的超材料。超材料的设计往往极度依赖经验，需要经历大量的试错，耗时费力。因此，开发一种有效的热管理多波段红外伪装反设计方法至关重要。为此，本研究提出了一种新的逆向设计方法，将非洲秃鹫优化算法(AVOA)与严格耦合波分析(RCWA)相结合，设计一种能够同时实现红外伪装和热管理的光学超材料。该超材料可以实现中波红外(MWIR, 3-5 μm)和长波红外(LWIR, 8-14 μm)的双频红外伪装，并通过5-8 μm和14-17 μm的双频非大气窗口进行热管理。与其他智能优化算法相比，AVOA算法的效率非常高，能在更短的时间内能得到更好的结果。该工作以“Inverse design of metamaterial for dual-band infrared camouflage along with dual-band thermal management”为题发表在《Optics Communciations》。

2.1 超材料的逆设计

本文设计的超材料模型及理想的辐射特性如图1所示：设计材料为Ge和Ag，结构为阶梯形光栅结构。考虑到红外伪装和热管理的原理，具有红外伪装和热管理的理想超材料应当在红外探测波段(3-5 μm和8-14 μm)的发射率为0，在非红外探测波段(5-8 μm和14-17 μm)的发射率为1。

图1：实现红外伪装和热管理的超材料模型及其理想的辐射特性光谱

该研究将AVOA与RCWA相结合，对超材料结构进行优化设计。超材料的单元结构如图2所示，由14层Ag和Ge组成（除去底部），除了最下方的Ag层外，每个Ag或Ge层的厚度都被设置为相同值，可以有效地减少了设计变量的数量，从而减少了设计过程中的种群数量，间接提高了设计效率。超材料的逆设计的思路如图2c所示：由于AVOA是一种全局优化算法，该研究随机初始化了阶梯光栅结构参数，并采用RCWA计算阶梯光栅结构的光谱辐射特性，然后计算目标函数值，评估完成后，利用AVOA对结构参数进行优化，直到满足收敛条件后，输出相应的结构参数。

图2：超材料单元胞结构及逆设计过程流程

2.2 超材料的光谱辐射特性

基于AVOA算法获得的超材料结构的吸收率/发射率光谱如图3所示：该超材料在MWIR和LWIR波段的发射率相对较低，其平均吸收率仅为0.07/0.05；在5-8 μm和14-17 μm非大气窗口的发射率较高，其平均吸收率达到0.68/0.52。结果表明，设计的超材料结构既能实现双波段的红外伪装，又能实现双频的热管理。

图3：超材料的红外吸收率/发射率光谱

在代表性波长下模拟了该超材料结构的电磁场分布特征，进一步揭示了其潜在的物理机制。如图4所示，波长为4 μm和11 μm的电磁场，几乎没有任何局部增强，结合光谱辐射特性，可以推断出在LWIR和MWIR波段处的所有的电磁波都被底部银层反射。波长为6.5 μm和15.5 μm的电磁场表现为磁性极化子共振，结合光谱辐射特性，可以推断出双频非大气窗口的高吸收是源于磁极化子共振。

图4：代表性波长下的电磁场分布

2.3 超材料的光谱辐射强度以及偏振和入射角的影响

结合了常见军事目标的表面温度，本文研究了在298 K ~ 458 K不同温度下超材料的光谱辐射强度，如图5所示。研究结果显示，设计的超材料在真空和标准AM1.5条件下都能保持良好的红外伪装性能和热管理能力。如图6所示，本文进一步探索了不同的偏振和入射角对超材料吸收率的影响。随着偏振角的增大，5-8 μm和14-17 μm范围内的吸光率减小，表明偏振角对超材料的红外辐射特性有显著影响。相反地，在一定入射角范围内，超材料在整个3-17 μm范围内的吸光率基本保持不变，表明入射角对超材料的红外特性影响较小。

图5：真空和标准AM1.5条件下黑体和超材料结构的光谱辐射强度

图6：超材料在不同偏振角和不同入射角下的光谱吸收率

2.4 AVOA与其他优化算法的比较

本文还将AVOA与其他智能优化算法进行了比较，在200次迭代中，比较了它们的目标值演化过程、设计结果和时间消耗，如图7所示。与其他智能优化算法相比，与其他智能优化算法相比，AVOA算法的效率非常高，只需要比其他智能优化算法更短的时间就能得到更好的结果。

图7：AVOA算法与其他优化算法的比较

2.5 推广应用

本文还将所提出的方法应用于辐射制冷超材料的结构设计中，证实了其在设计其他光谱辐射调制结构的潜力。如图8所示，所设计的超材料的结构也是阶梯式光栅结构，在8-13 μm范围内表现出高发射率。

图8：基于此方法设计的辐射制冷超材料及热辐射特性

小结：研究者提出了一个新的定向设计方法，将非洲秃鹫优化算法(AVOA)与严格耦合波分析(RCWA)相结合，对一种由Ge和Ag组成的红外伪装和热管理光学超材料进行逆向设计。设计的阶梯形光栅超材料结构在3-5 μm和8-14 μm分别表现0.07和0.05的低平均发射率用于红外伪装，同时在5-8 μm和14-17 μm分别表现0.68和0.52的高发射率用于辐射散热。与他优化算法相比，AVOA效率非常高，能在更短的时间得到更好的结果。该工作不仅为多波段兼容伪装技术的设计提供了理论指导，而且对解决多波段或宽带辐射调制的多目标优化问题具有潜在意义。

论文信息：Fu Z, Yang Z, Wang F, Cheng Z, Zhang A, Meng W. Inverse design of metamaterial for dual-band infrared camouflage along with dual-band thermal management[J]. Optics Communications, 2024: 131128. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.131128.

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