IPT：用于多波段伪装兼容热管理的透明散射超材料

论文信息：

Pengyu Song, Yiyang Shen, Aoxue Guo, Mengdan Qian, Shuwen Zheng, Yufang Liu, Transparent scattering metamaterial for multiband camouflage with thermal management, Infrared Physics and Technology 151, 106127 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.infrared.2025.106127

研究背景

随着多波段探测设备的普及，单一伪装技术已不能满足现代军事对抗的要求，多光谱伪装越来越受到关注.光探测和测距(LIDAR)和红外探测是现代精密探测技术的重要组成部分。激光雷达的工作原理是将特定波长的调制激光束投射到目标物体上，同时接收返回信号以跟踪和测距目标物体。激光雷达伪装通常是通过吸收或散射来减少来自目标的反射信号来实现的。

因此，本文提出了一种透明波长选择性散射超材料，具有两个典型部分：棋盘状ZnS超表面和由ITO、ZnSe和Ag组成的法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）。该超材料可以同时实现可见光和红外波段的伪装，同时还兼容宽带可调谐激光伪装，具有高散射性能。超材料通过F-P腔实现选择性发射，在中波红外和长波红外中发射率分别为0.17和0.19，在两个非大气窗口波段发射率高，保证了有效的红外伪装和辐射冷却能力。此外，由于1.06μm和1.55μm波长以及8-14μm波段的镜面反射率较低，超材料有望有效避免激光雷达探测。同时，超材料在可见光谱（400-800nm）内的平均透射率达到70.1%，从而确保了足够的光学透明度。

研究内容

为了同时实现着色和被动冷却功能，我们提出了一种基于Fabry−Péro腔的多层薄膜结构，该结构具有易于计算和加工的结构。该薄膜具有鲜艳的外观和冷却性能，由热发射层、调色层和反射层组成，如图1(a)模型所示。薄膜主要由TiN/TiO2/Ag彩色薄膜和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)热发射层，以及特定大气窗口的理想热发射率如图1(b)所示。图1(c)示意性地描述了有色被动冷却多层系统的数据生成过程和机器学习策略。随后，分别开发和训练基于BNN和GA的机器学习模型，用于预测多层系统的颜色和冷却功率，并根据所需参数逆向设计几何参数。

透明散射超材料的示意图如图1(a)所示。由底部多层结构组成的F-P腔的选择性发射特性调制了热伪装和辐射冷却。近红外和宽带长波红外激光伪装是通过对表面层结构进行波前操纵来实现光散射的。如图1(b)所示，该结构包含两个晶胞，可以通过整形电磁波前来实现宽带可调长波红外激光伪装和波长选择发射。两个晶胞呈棋盘状排列，形成一个循环。晶胞I是由ITO/ZnSe/Ag多层结构组成的波长选择性F-P腔，晶胞II由ZnS层和相同的F-P腔组成。超材料的透射率光谱如图1(c)所示，可见光波段(400–800 nm)的平均透射率为70.1%，保证了可见光伪装的光学透明度。超材料的镜面反射如图1(d)所示，在1.06 μm和1.55μm的波长下，镜面反射率值分别为1.3%和12.2%。此外，在8-14 μm波段内，平均镜面反射率为2.1%，可实现近红外激光伪装和宽带可调长波红外激光伪装。图1(e)中超材料的吸收光谱显示，中波红外的平均发射率为17.6%，长波红外的平均发射率为19%。在非大气窗口下实现了53.3%和51.6%的高发射率，有利于高效的红外伪装和辐射冷却能力。

图1(a)透明波长选择散射超材料的总体原理图和功能；(b)单周期透明超材料的原理图结构；(c)设计超材料的可见光透过率；(d)镜面反射比和(e)设计超材料的发射率。

如图2(a)所示，晶胞I显示反射率R1和反射相位Φ1，而晶胞II显示反射率R2和相位Φ2。图2(b)给出了两个晶胞的模拟反射光谱。在大气窗口，晶胞I的波段平均反射率为89%(3-5μm)和87.5%(8-14μm)，晶胞II的波段平均反射率为84%(3-5μm)和83.5%(8-14μm)，表明光谱发射率较低。反之，在非大气窗中，平均光谱反射率较低：晶胞I为46%和60.6%，晶胞II为50%和39.5%。非大气窗光谱的反射率远低于3-5和8-14μm，发射率远高于3-5μm和8-14μm，表明这两个单胞具有波长选择性辐射特性。宽带散射源于结构的反射分裂，由两个单元格的反射相位差在180±37◦范围内实现。如图2(c)所示，分别模拟了晶胞I(Φ1)和晶胞II(Φ2)在8-14μm之间的反射相位，并计算了它们的差异(ΔΦ)。图2C中的蓝色区域表示180◦±37◦的容差范围。在整个8-14μm光谱中，ΔΦ始终位于此范围内，证实了宽带散射行为。图2(d)显示了近红外反射光谱。晶胞I和晶胞II在1.06μm和1.55μm处均表现出相对较高的反射率，而由于两个晶胞之间的反射相位差引起的反射分裂，整体结构在这些波长下表现出相对较低的镜面反射，表明近红外激光对超材料的伪装能力。

图2(a)晶胞I和晶胞II的示意图;(b)两个晶胞在3-14μm的反射光谱;(c)两个晶胞在8-14μm的反射相位和差异;(d)两个晶胞在0.8-1.8μm的反射光谱。

图3(a)和(b)中描述了整个结构的模拟积分和镜面反射光谱。在宽调谐激光(8-14μm)工作的波长范围内，镜面反射的平均值为2.1%，而典型激光器(1.06μm、1.55μm和10.6μm)的反射波长仅为1.3%、12.2%和1.2%。8-14μm光谱的平均积分反射率为81%，1.06μm、1.55μm和10.6μm光谱的平均积分反射率分别为21%、68%和82%。反射光谱显示了镜面反射和积分反射的显著区别，显示了宽带散射的存在。如图3(c)所示，我们使用Lumerical FDTD模拟了几个波长(4.5、8.5、10.5和13μm)的后向散射强度分布，反射能量在4.5μm处主要集中在中心，不向其他方向散射，而在8.5、10.6和13μm的波长下，反射能量主要分散为更高的衍射阶数，主要方位角为45°、135°、225°和315°。因此，镜面反射方向的反射能量极低，产生的镜面反射信号无法被激光检测到，从而实现激光伪装。

图3.(a)所设计的超材料在3-14μm和(b)0.8-1.6μm范围内的积分反射光谱和镜面反射光谱。(c)分别在4.5、8.5、10.6和13μm波长上模拟超材料的后向散射强度分布。

为了研究散射超材料结构的共振吸收特性，模拟分析了2.8μm和6.1μm两个吸收峰的功率损耗和电场分布。如图4(a)和(c)所示，电场主要集中在ZnSe和ZnS层，ZnSe中分布较强，ZnS中分布较弱。此外，如图4(b)和(d)所示，功率损耗主要分布在中间的Ag层和底部的ITO层中，而在介质层中几乎为零，这意味着入射的电磁波在腔内形成了稳定的振荡。如图4(e)和(f)所示，我们模拟了入射角度从0◦到50◦时超材料的发射率和镜面反射的变化。随着入射角的增加，超材料由于其偏振不敏感的设计而保持了相对稳定的发射率和反射率，这表明超材料对入射角的变化不敏感。因此，在非正入射探测条件下，超材料在红外波段和激光工作波长都表现出了有效的伪装性能。

图4.(a，b)波长分别为2.8和6.1μm的超材料内电场分布。(c，d)在波长分别为2.8和6.1μm的超材料内的功率损耗分布。(e，f)分别模拟了不同入射角的吸收光谱和镜面反射光谱。

然后，我们研究了改变每层厚度对超材料吸收和镜面反射率的影响。图5（a）和（d）显示了ZnS层厚度在400 nm至2900 nm之间变化时的吸收和镜面反射率。随着ZnS厚度的增加，对红外吸收光谱的影响较小，而对镜面反射的影响较大，较低的镜面反射波段发生红移。图5(b)和(e)显示了当中间银层厚度从2 nm增加到10 nm时的吸收光谱和镜面反射光谱。随着中间银层厚度的增加，两个红外峰发生蓝移，而镜面反射光谱几乎不受影响。图5(c)和(f)示出了在500 nm-1500 nm范围内，当ZnSe介质层厚度变化时的吸收光谱和镜面反射光谱。随着ZnSe厚度的增加，两个红外吸收峰红移，镜面反射光谱受影响较小。

图5（a）计算的吸收率谱随ZnS顶层厚度的变化而变化；（b）计算的吸收率光谱随中间Ag层厚度的变化而变化；（c）计算的吸收率谱随ZnSe介质层厚度的变化而变化；（d）计算的镜面反射率光谱随ZnS层厚度的变化而变化；（e）计算的镜面反射光谱随中间Ag层厚度的变化而变化；（f）计算的镜面反射光谱随ZnSe介质层厚度的变化而变化。

热像仪通过对比目标和背景的辐射温度来检测物体。如图6(a)所示，在辐射平衡条件下，加热的基板保持样品温度，而背景保持恒定的发射率。如图6(b)所示，我们计算了非大气窗口和大气窗口的辐射强度，结果表明，随着环境温度的升高，非大气窗口的辐射强度显著高于大气窗口，表明超材料能够有效地进行辐射冷却。然后模拟了中波红外和长波红外光谱中超材料的辐射温度，样品温度在60℃至150℃之间变化，间隔为20℃，背景温度为100℃，如图6(c)和(d)。这充分证明了超材料在高温环境下能够有效散热并提供良好的隐身性能，表明了在飞机发动机高温部件、可穿戴高温伪装和船用燃气轮机排气系统等高温环境中的应用潜力。

图6(a)辐射强度和辐射温度模拟示意图；(b)不同光谱带的模拟辐射强度；(c)背景温度为100◦C，样品温度分别为60◦C、80◦C、130◦C和150◦C时的辐射温度。

为了更好地展示散射超材料的热管理特性，我们计算了低发射率为0.2时的参考物体和黑体在26℃和300℃下的光谱辐射功率，并将它们与图7(a)和(b)中分别描述的散射超材料进行了比较。同时，如图7(c)和(d)所示，还模拟和比较了在20℃到400℃的温度范围内每个波段中散射超材料和参考物的总光谱辐射功率。这进一步证明了散射超材料具有有效的红外伪装和辐射冷却以及在热管理应用中的潜力。

图7.(a)在26℃和(b)300℃中，发射率为0.2的参照物、黑体和散射超物质的光谱辐射功率；(c)和(d)模拟了样品在不同光谱波段的总光谱辐射强度。

结论与展望

综上所述，本文提出了一种透明的波长选择性散射超材料，它由两个组分组成，即由ZnS组成的棋盘状超表面和由Ag、ZnSe和ITO组成的F-P谐振腔。该超材料在实现近红外激光伪装和宽带长波红外可调谐激光伪装的同时，具有选择性热发射能力。同时，超材料具有较高的可见光透过率，实现了可见光伪装。与以往的红外和激光伪装研究相比，该工作实现了宽带长波红外散射和有效的非大气波段发射，同时实现了可见光伪装。总体而言，超材料为多波段伪装装置的设计提供了新的指导，这种设计将在可见光和红外伪装、宽带可调谐激光伪装和热管理技术等领域得到广泛应用。