OL：具有辐射热管理的波长选择性散射超材料的宽带可调谐激光和红外伪装

论文信息：

Zichen Deng, Wenyuan Hu, Peng Zhou, Linqi Huang, Tao Wang, Xian Wang and Rongzhou Gong,Broadband tunable laser and infrared camouflage by wavelength-selective scattering metamaterial with radiative thermal management, Optics Letters 49, 935 (2024).

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.512245

研究背景

随着现代探测技术的飞速发展，多光谱探测手段（包括中波红外、长波红外、近红外激光等）在军事、安防和遥感等领域的应用日益广泛。传统的单一波段伪装材料已难以应对复杂多变的多光谱探测环境，尤其是近年来宽带可调谐激光技术的发展，使得传统基于选择性吸收的激光伪装策略面临严峻挑战。例如，基于BaGa4Se7晶体的可调谐激光器可实现8–14 μm范围内的宽带高能量输出，这对伪装材料提出了更高的要求。在此背景下，超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）因其对电磁波具有灵活调控的能力，成为实现多光谱兼容伪装的重要研究方向。现有的研究主要集中在红外与激光兼容伪装的设计上，包括多层膜结构、选择性吸收超表面和散射超表面等。许多研究还展示了在5-8 μm非大气窗口波段实现辐射冷却的能力。然而，同时实现长波红外波段的宽带散射和非大气窗口波段的高发射率仍然是一个难题。这是因为两者在设计原理上存在矛盾：高发射率要求结构在5-8 μm波段具有强吸收，而宽带散射则要求结构在8-14 μm波段具有特定的相位调控能力，且这两个波段波长接近，难以独立调控。因此，如何在实现辐射冷却的同时，还能对中波红外、长波红外和激光波段进行有效伪装，是当前研究的重要挑战。

研究内容

本研究提出了一种波长选择性散射超材料（Wavelength-Selective Scattering Metamaterial，WSSM），用于实现宽带可调谐激光伪装、红外热伪装以及非大气窗口波段的辐射冷却。该结构由两部分组成：底层为波长选择性的Ge/ZnS多层膜结构，用于调控热辐射特性；顶层为棋盘状排列的ZnS超表面单元，用于实现对长波红外激光的宽带散射和近红外激光的低反射。

该研究提出的波长选择散射超材料（WSSM），旨在实现多光谱兼容伪装与辐射冷却功能，其设计目标需满足以下四项关键性能指标，如图1所示。在中波红外（3-5μm）和长波红外（8-14μm）的大气窗口波段，具备高反射率（低发射率），以此抑制热辐射，实现红外伪装。模拟结果显示，WSSM在3-5μm和 8-14μm波段的发射率分别为0.19 和0.20，对应的反射率分别约为81%和80%，符合低发射率的要求。在长波红外激光波段（8-12μm，宽带可调谐激光的主要工作范围），具备低镜面反射率，通过将激光散射到非探测方向，实现激光伪装。实验模拟得出，WSSM在8-12 μm波段的平均镜面反射率仅为4.35%，其中在典型激光波长10.6 μm处的镜面反射率为6.54%，能够有效降低激光回波信号强度。在非大气窗口（5-8 μm），具备低反射率（高发射率），以此实现高效辐射冷却，进一步提升红外伪装效果。模拟数据表明，WSSM在5-8 μm波段的发射率为0.54，反射率约为46%，为辐射冷却提供了良好的条件。在近红外激光波长（1.06 μm、1.55 μm），具备低反射率，通过薄膜干涉效应实现近红外激光伪装。模拟结果显示，WSSM在1.06 μm和1.55 μm处的积分反射率分别为13.86%和5.56%，可有效减少近红外激光的反射信号。

WSSM采用双层结构设计，由顶层棋盘状排列的超表面和底层波长选择Ge/ZnS多层膜组成（如图1(b)所示），底层多层膜负责热辐射调控，顶层超表面负责激光散射。图2(a)所示了两种单元结构（Unit Cell I和Unit Cell II）的详细层状结构及其在棋盘状排列中的布局。Unit Cell I的顶层ZnS厚度为100 nm，Unit Cell II为2200 nm，底层均为相同的Ge/ZnS布拉格反射堆叠。图2(b)所示为两种单元结构的反射谱模拟结果，显示在3-5 μm和8-14 μm波段反射率均高于80%，而在5-8 μm波段反射率显著降低，表现出良好的波长选择性。图2(c)所示为两单元反射相位差Δφ在11.3 μm附近接近180°，说明在该波长附近发生相消干涉，从而导致镜面反射被抑制，能量被散射至其他方向。图2(d)所示进一步表明在1.06 μm和1.55 μm处反射率极低，说明该结构对近红外激光也具有良好的伪装能力。

图1.波长选择散射超材料（WSSM）及宽带可调谐长波红外（LWIR）激光与红外兼容辐射冷却伪装原理；(a) 兼容伪装的理想积分反射率与镜面反射率光谱。蓝色区域代表大气透射率光谱；(b) WSSM的结构示意图，该材料可实现宽带可调谐长波红外激光散射、近红外（NIR）激光吸收，并通过选择性能量辐射实现辐射冷却与红外伪装。

图2.单元胞I和单元胞II的反射特性；(a) 单元胞I和单元胞II的结构示意图；(b) 红外伪装与辐射冷却的理想反射率光谱；(c) 8-14 μm波段内单元胞I和单元胞II的模拟反射相位及相位差；(d) 单元胞I和单元胞II在3-14 μm波段的模拟反射率光谱；蓝色曲线代表单元胞 I和单元胞II在0.8-1.7 μm波段的（反射率光谱）。

WSSM在宽波段范围内的积分反射率和镜面反射率模拟结果如图3(a)和(b)所示，在8-12 μm范围内，平均镜面反射率仅为4.35%，说明大部分能量被散射；而在3-5 μm和8-14 μm波段，积分反射率分别为81%和80%，对应低发射率（0.19和0.20），有利于热伪装；在5–8 μm波段，积分反射率为46%，对应高发射率（0.54），有利于辐射冷却。图3(c)所示为在8.5 μm和10.6 μm波长处的背向散射强度分布，显示能量主要分布在45°、135°、225°和315°方向，镜面方向几乎无能量，验证了其良好的激光散射能力。图3(d)所示通过电场分布图进一步揭示了其工作机制：在3.3 μm、8.5 μm和10.6 μm波长处，电场主要分布在外空间，表明发生强烈散射；而在6.5 μm处，电场能量穿透结构，被基底吸收，表明该波段具有高发射率。

图3. 波长选择散射超材料（WSSM）的模拟光谱及激光与红外调控的光学机制；(a)和(b)波长选择散射超材料（WSSM）的模拟积分反射率光谱与模拟镜面反射率光谱；(c) 在3.3 μm、4.2 μm、8.5 μm和10.6 μm波长下，波长选择散射超材料（WSSM）的模拟后向散射强度分布；(d) 在3.3 μm、6.5 μm、8.5 μm和10.6 μm波长下，波长选择散射超材料（WSSM）的模拟电场强度分布；

本文研究最后进行了热仿真模拟，如图4(a)所示，样品置于加热板上，通过石英衬底传热。图4(b)所示为在400 °C加热温度下，WSSM的表面温度比参考材料低12.6 °C，这归因于其在5-8 μm波段的高发射率带来的辐射冷却效应。图4(c)所示进一步比较了两种材料在3-5 μm和8-14 μm波段的辐射强度，WSSM分别比参考材料低10.3%和3.8%，说明其热伪装性能更优。图4(d)所示为通过模拟热图像展示了WSSM在3-5 μm和8-14 μm波段的等效黑体辐射温度分别为231.1 °C和132.0 °C，比参考材料低8.1 °C和4.6 °C，进一步证实其优异的红外伪装能力。

图4.通过辐射冷却提升中波红外（MWIR）与长波红外（LWIR）伪装性能；(a) 温度与热模拟示意图；(b) 加热温度从20 ℃升至400 ℃过程中，波长选择散射超材料（WSSM）与参考材料的模拟表面温度；(c) 波长选择散射超材料（WSSM）与参考材料在3-5 μm（中波红外）和8-14 μm（长波红外）波段的模拟辐射强度；(d) 加热温度为400 ℃时，波长选择散射超材料（WSSM）与参考材料在中波红外和长波红外波段的模拟热成像图。

结论与展望

综上所述，本研究通过巧妙的结构设计，成功实现了一种波长选择性散射超材料（WSSM），在中波红外、长波红外、近红外激光和宽带可调谐长波红外激光波段均表现出优异的伪装性能，同时在5-8 μm非大气窗口波段实现了有效的辐射冷却。该研究首先明确了设计目标与结构框架；然后揭示了两单元结构的光学特性及其相位调控机制；并全面展示了WSSM的反射、散射和电场分布特性，验证了其多光谱调控能力；最后通过热仿真和辐射温度计算，证明了其在真实热环境下的优异性能。该研究的创新点在于同时实现了长波红外波段的宽带散射和非大气窗口波段的高发射率，克服了传统设计中两者难以兼顾的矛盾。此外，该结构还具备角度不敏感、偏振无关等优点，适用于复杂环境下的实际应用。制造方面，该结构可采用常规薄膜沉积、光刻和剥离工艺制备，具有良好的可行性和扩展性。