IPT：用于多波段偽裝兼容熱管理的透明散射超材料

論文信息：

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).

論文鏈接：

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

研究背景

隨著多波段探測設備的普及，單一偽裝技術已不能滿足現代軍事對抗的要求，多光譜偽裝越來越受到關注.光探測和測距(LIDAR)和紅外探測是現代精密探測技術的重要組成部分。激光雷達的工作原理是將特定波長的調制激光束投射到目標物體上，同時接收返回信號以跟蹤和測距目標物體。激光雷達偽裝通常是通過吸收或散射來減少來自目標的反射信號來實現的。

因此，本文提出了一種透明波長選擇性散射超材料，具有兩個典型部分：棋盤狀ZnS超表面和由ITO、ZnSe和Ag組成的法布里-珀羅諧振腔（F-P腔）。該超材料可以同時實現可見光和紅外波段的偽裝，同時還兼容寬帶可調諧激光偽裝，具有高散射性能。超材料通過F-P腔實現選擇性發射，在中波紅外和長波紅外中發射率分別為0.17和0.19，在兩個非大氣窗口波段發射率高，保證了有效的紅外偽裝和輻射冷卻能力。此外，由于1.06μm和1.55μm波長以及8-14μm波段的鏡面反射率較低，超材料有望有效避免激光雷達探測。同時，超材料在可見光譜（400-800nm）內的平均透射率達到70.1%，從而確保了足夠的光學透明度。

研究內容

為了同時實現著色和被動冷卻功能，我們提出了一種基于Fabry?Péro腔的多層薄膜結構，該結構具有易于計算和加工的結構。該薄膜具有鮮艷的外觀和冷卻性能，由熱發射層、調色層和反射層組成，如圖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)熱發射層，以及特定大氣窗口的理想熱發射率如圖1(b)所示。圖1(c)示意性地描述了有色被動冷卻多層系統的數據生成過程和機器學習策略。隨后，分別開發和訓練基于BNN和GA的機器學習模型，用于預測多層系統的顏色和冷卻功率，并根據所需參數逆向設計幾何參數。

透明散射超材料的示意圖如圖1(a)所示。由底部多層結構組成的F-P腔的選擇性發射特性調制了熱偽裝和輻射冷卻。近紅外和寬帶長波紅外激光偽裝是通過對表面層結構進行波前操縱來實現光散射的。如圖1(b)所示，該結構包含兩個晶胞，可以通過整形電磁波前來實現寬帶可調長波紅外激光偽裝和波長選擇發射。兩個晶胞呈棋盤狀排列，形成一個循環。晶胞I是由ITO/ZnSe/Ag多層結構組成的波長選擇性F-P腔，晶胞II由ZnS層和相同的F-P腔組成。超材料的透射率光譜如圖1(c)所示，可見光波段(400–800 nm)的平均透射率為70.1%，保證了可見光偽裝的光學透明度。超材料的鏡面反射如圖1(d)所示，在1.06 μm和1.55μm的波長下，鏡面反射率值分別為1.3%和12.2%。此外，在8-14 μm波段內，平均鏡面反射率為2.1%，可實現近紅外激光偽裝和寬帶可調長波紅外激光偽裝。圖1(e)中超材料的吸收光譜顯示，中波紅外的平均發射率為17.6%，長波紅外的平均發射率為19%。在非大氣窗口下實現了53.3%和51.6%的高發射率，有利于高效的紅外偽裝和輻射冷卻能力。

圖1(a)透明波長選擇散射超材料的總體原理圖和功能；(b)單周期透明超材料的原理圖結構；(c)設計超材料的可見光透過率；(d)鏡面反射比和(e)設計超材料的發射率。

如圖2(a)所示，晶胞I顯示反射率R1和反射相位Φ1，而晶胞II顯示反射率R2和相位Φ2。圖2(b)給出了兩個晶胞的模擬反射光譜。在大氣窗口，晶胞I的波段平均反射率為89%(3-5μm)和87.5%(8-14μm)，晶胞II的波段平均反射率為84%(3-5μm)和83.5%(8-14μm)，表明光譜發射率較低。反之，在非大氣窗中，平均光譜反射率較低：晶胞I為46%和60.6%，晶胞II為50%和39.5%。非大氣窗光譜的反射率遠低于3-5和8-14μm，發射率遠高于3-5μm和8-14μm，表明這兩個單胞具有波長選擇性輻射特性。寬帶散射源于結構的反射分裂，由兩個單元格的反射相位差在180±37?范圍內實現。如圖2(c)所示，分別模擬了晶胞I(Φ1)和晶胞II(Φ2)在8-14μm之間的反射相位，并計算了它們的差異(ΔΦ)。圖2C中的藍色區域表示180?±37?的容差范圍。在整個8-14μm光譜中，ΔΦ始終位于此范圍內，證實了寬帶散射行為。圖2(d)顯示了近紅外反射光譜。晶胞I和晶胞II在1.06μm和1.55μm處均表現出相對較高的反射率，而由于兩個晶胞之間的反射相位差引起的反射分裂，整體結構在這些波長下表現出相對較低的鏡面反射，表明近紅外激光對超材料的偽裝能力。

圖2(a)晶胞I和晶胞II的示意圖;(b)兩個晶胞在3-14μm的反射光譜;(c)兩個晶胞在8-14μm的反射相位和差異;(d)兩個晶胞在0.8-1.8μm的反射光譜。

圖3(a)和(b)中描述了整個結構的模擬積分和鏡面反射光譜。在寬調諧激光(8-14μm)工作的波長范圍內，鏡面反射的平均值為2.1%，而典型激光器(1.06μm、1.55μm和10.6μm)的反射波長僅為1.3%、12.2%和1.2%。8-14μm光譜的平均積分反射率為81%，1.06μm、1.55μm和10.6μm光譜的平均積分反射率分別為21%、68%和82%。反射光譜顯示了鏡面反射和積分反射的顯著區別，顯示了寬帶散射的存在。如圖3(c)所示，我們使用Lumerical FDTD模擬了幾個波長(4.5、8.5、10.5和13μm)的后向散射強度分布，反射能量在4.5μm處主要集中在中心，不向其他方向散射，而在8.5、10.6和13μm的波長下，反射能量主要分散為更高的衍射階數，主要方位角為45°、135°、225°和315°。因此，鏡面反射方向的反射能量極低，產生的鏡面反射信號無法被激光檢測到，從而實現激光偽裝。

圖3.(a)所設計的超材料在3-14μm和(b)0.8-1.6μm范圍內的積分反射光譜和鏡面反射光譜。(c)分別在4.5、8.5、10.6和13μm波長上模擬超材料的后向散射強度分布。

為了研究散射超材料結構的共振吸收特性，模擬分析了2.8μm和6.1μm兩個吸收峰的功率損耗和電場分布。如圖4(a)和(c)所示，電場主要集中在ZnSe和ZnS層，ZnSe中分布較強，ZnS中分布較弱。此外，如圖4(b)和(d)所示，功率損耗主要分布在中間的Ag層和底部的ITO層中，而在介質層中幾乎為零，這意味著入射的電磁波在腔內形成了穩定的振蕩。如圖4(e)和(f)所示，我們模擬了入射角度從0?到50?時超材料的發射率和鏡面反射的變化。隨著入射角的增加，超材料由于其偏振不敏感的設計而保持了相對穩定的發射率和反射率，這表明超材料對入射角的變化不敏感。因此，在非正入射探測條件下，超材料在紅外波段和激光工作波長都表現出了有效的偽裝性能。

圖4.(a，b)波長分別為2.8和6.1μm的超材料內電場分布。(c，d)在波長分別為2.8和6.1μm的超材料內的功率損耗分布。(e，f)分別模擬了不同入射角的吸收光譜和鏡面反射光譜。

然后，我們研究了改變每層厚度對超材料吸收和鏡面反射率的影響。圖5（a）和（d）顯示了ZnS層厚度在400 nm至2900 nm之間變化時的吸收和鏡面反射率。隨著ZnS厚度的增加，對紅外吸收光譜的影響較小，而對鏡面反射的影響較大，較低的鏡面反射波段發生紅移。圖5(b)和(e)顯示了當中間銀層厚度從2 nm增加到10 nm時的吸收光譜和鏡面反射光譜。隨著中間銀層厚度的增加，兩個紅外峰發生藍移，而鏡面反射光譜幾乎不受影響。圖5(c)和(f)示出了在500 nm-1500 nm范圍內，當ZnSe介質層厚度變化時的吸收光譜和鏡面反射光譜。隨著ZnSe厚度的增加，兩個紅外吸收峰紅移，鏡面反射光譜受影響較小。

圖5（a）計算的吸收率譜隨ZnS頂層厚度的變化而變化；（b）計算的吸收率光譜隨中間Ag層厚度的變化而變化；（c）計算的吸收率譜隨ZnSe介質層厚度的變化而變化；（d）計算的鏡面反射率光譜隨ZnS層厚度的變化而變化；（e）計算的鏡面反射光譜隨中間Ag層厚度的變化而變化；（f）計算的鏡面反射光譜隨ZnSe介質層厚度的變化而變化。

熱像儀通過對比目標和背景的輻射溫度來檢測物體。如圖6(a)所示，在輻射平衡條件下，加熱的基板保持樣品溫度，而背景保持恒定的發射率。如圖6(b)所示，我們計算了非大氣窗口和大氣窗口的輻射強度，結果表明，隨著環境溫度的升高，非大氣窗口的輻射強度顯著高于大氣窗口，表明超材料能夠有效地進行輻射冷卻。然后模擬了中波紅外和長波紅外光譜中超材料的輻射溫度，樣品溫度在60℃至150℃之間變化，間隔為20℃，背景溫度為100℃，如圖6(c)和(d)。這充分證明了超材料在高溫環境下能夠有效散熱并提供良好的隱身性能，表明了在飛機發動機高溫部件、可穿戴高溫偽裝和船用燃氣輪機排氣系統等高溫環境中的應用潛力。

圖6(a)輻射強度和輻射溫度模擬示意圖；(b)不同光譜帶的模擬輻射強度；(c)背景溫度為100?C，樣品溫度分別為60?C、80?C、130?C和150?C時的輻射溫度。

為了更好地展示散射超材料的熱管理特性，我們計算了低發射率為0.2時的參考物體和黑體在26℃和300℃下的光譜輻射功率，并將它們與圖7(a)和(b)中分別描述的散射超材料進行了比較。同時，如圖7(c)和(d)所示，還模擬和比較了在20℃到400℃的溫度范圍內每個波段中散射超材料和參考物的總光譜輻射功率。這進一步證明了散射超材料具有有效的紅外偽裝和輻射冷卻以及在熱管理應用中的潛力。

圖7.(a)在26℃和(b)300℃中，發射率為0.2的參照物、黑體和散射超物質的光譜輻射功率；(c)和(d)模擬了樣品在不同光譜波段的總光譜輻射強度。

結論與展望

綜上所述，本文提出了一種透明的波長選擇性散射超材料，它由兩個組分組成，即由ZnS組成的棋盤狀超表面和由Ag、ZnSe和ITO組成的F-P諧振腔。該超材料在實現近紅外激光偽裝和寬帶長波紅外可調諧激光偽裝的同時，具有選擇性熱發射能力。同時，超材料具有較高的可見光透過率，實現了可見光偽裝。與以往的紅外和激光偽裝研究相比，該工作實現了寬帶長波紅外散射和有效的非大氣波段發射，同時實現了可見光偽裝。總體而言，超材料為多波段偽裝裝置的設計提供了新的指導，這種設計將在可見光和紅外偽裝、寬帶可調諧激光偽裝和熱管理技術等領域得到廣泛應用。