OL：具有輻射熱管理的波長選擇性散射超材料的寬帶可調(diào)諧激光和紅外偽裝

論文信息：

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).

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.512245

研究背景

隨著現(xiàn)代探測技術(shù)的飛速發(fā)展，多光譜探測手段（包括中波紅外、長波紅外、近紅外激光等）在軍事、安防和遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。傳統(tǒng)的單一波段偽裝材料已難以應(yīng)對復(fù)雜多變的多光譜探測環(huán)境，尤其是近年來寬帶可調(diào)諧激光技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)基于選擇性吸收的激光偽裝策略面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，基于BaGa4Se7晶體的可調(diào)諧激光器可實(shí)現(xiàn)8–14 μm范圍內(nèi)的寬帶高能量輸出，這對偽裝材料提出了更高的要求。在此背景下，超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）因其對電磁波具有靈活調(diào)控的能力，成為實(shí)現(xiàn)多光譜兼容偽裝的重要研究方向。現(xiàn)有的研究主要集中在紅外與激光兼容偽裝的設(shè)計上，包括多層膜結(jié)構(gòu)、選擇性吸收超表面和散射超表面等。許多研究還展示了在5-8 μm非大氣窗口波段實(shí)現(xiàn)輻射冷卻的能力。然而，同時實(shí)現(xiàn)長波紅外波段的寬帶散射和非大氣窗口波段的高發(fā)射率仍然是一個難題。這是因為兩者在設(shè)計原理上存在矛盾：高發(fā)射率要求結(jié)構(gòu)在5-8 μm波段具有強(qiáng)吸收，而寬帶散射則要求結(jié)構(gòu)在8-14 μm波段具有特定的相位調(diào)控能力，且這兩個波段波長接近，難以獨(dú)立調(diào)控。因此，如何在實(shí)現(xiàn)輻射冷卻的同時，還能對中波紅外、長波紅外和激光波段進(jìn)行有效偽裝，是當(dāng)前研究的重要挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

本研究提出了一種波長選擇性散射超材料（Wavelength-Selective Scattering Metamaterial，WSSM），用于實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧激光偽裝、紅外熱偽裝以及非大氣窗口波段的輻射冷卻。該結(jié)構(gòu)由兩部分組成：底層為波長選擇性的Ge/ZnS多層膜結(jié)構(gòu)，用于調(diào)控?zé)彷椛涮匦裕豁攲訛槠灞P狀排列的ZnS超表面單元，用于實(shí)現(xiàn)對長波紅外激光的寬帶散射和近紅外激光的低反射。

該研究提出的波長選擇散射超材料（WSSM），旨在實(shí)現(xiàn)多光譜兼容偽裝與輻射冷卻功能，其設(shè)計目標(biāo)需滿足以下四項關(guān)鍵性能指標(biāo)，如圖1所示。在中波紅外（3-5μm）和長波紅外（8-14μm）的大氣窗口波段，具備高反射率（低發(fā)射率），以此抑制熱輻射，實(shí)現(xiàn)紅外偽裝。模擬結(jié)果顯示，WSSM在3-5μm和 8-14μm波段的發(fā)射率分別為0.19 和0.20，對應(yīng)的反射率分別約為81%和80%，符合低發(fā)射率的要求。在長波紅外激光波段（8-12μm，寬帶可調(diào)諧激光的主要工作范圍），具備低鏡面反射率，通過將激光散射到非探測方向，實(shí)現(xiàn)激光偽裝。實(shí)驗?zāi)M得出，WSSM在8-12 μm波段的平均鏡面反射率僅為4.35%，其中在典型激光波長10.6 μm處的鏡面反射率為6.54%，能夠有效降低激光回波信號強(qiáng)度。在非大氣窗口（5-8 μm），具備低反射率（高發(fā)射率），以此實(shí)現(xiàn)高效輻射冷卻，進(jìn)一步提升紅外偽裝效果。模擬數(shù)據(jù)表明，WSSM在5-8 μm波段的發(fā)射率為0.54，反射率約為46%，為輻射冷卻提供了良好的條件。在近紅外激光波長（1.06 μm、1.55 μm），具備低反射率，通過薄膜干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)近紅外激光偽裝。模擬結(jié)果顯示，WSSM在1.06 μm和1.55 μm處的積分反射率分別為13.86%和5.56%，可有效減少近紅外激光的反射信號。

WSSM采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，由頂層棋盤狀排列的超表面和底層波長選擇Ge/ZnS多層膜組成（如圖1(b)所示），底層多層膜負(fù)責(zé)熱輻射調(diào)控，頂層超表面負(fù)責(zé)激光散射。圖2(a)所示了兩種單元結(jié)構(gòu)（Unit Cell I和Unit Cell II）的詳細(xì)層狀結(jié)構(gòu)及其在棋盤狀排列中的布局。Unit Cell I的頂層ZnS厚度為100 nm，Unit Cell II為2200 nm，底層均為相同的Ge/ZnS布拉格反射堆疊。圖2(b)所示為兩種單元結(jié)構(gòu)的反射譜模擬結(jié)果，顯示在3-5 μm和8-14 μm波段反射率均高于80%，而在5-8 μm波段反射率顯著降低，表現(xiàn)出良好的波長選擇性。圖2(c)所示為兩單元反射相位差Δφ在11.3 μm附近接近180°，說明在該波長附近發(fā)生相消干涉，從而導(dǎo)致鏡面反射被抑制，能量被散射至其他方向。圖2(d)所示進(jìn)一步表明在1.06 μm和1.55 μm處反射率極低，說明該結(jié)構(gòu)對近紅外激光也具有良好的偽裝能力。

圖1.波長選擇散射超材料（WSSM）及寬帶可調(diào)諧長波紅外（LWIR）激光與紅外兼容輻射冷卻偽裝原理；(a) 兼容偽裝的理想積分反射率與鏡面反射率光譜。藍(lán)色區(qū)域代表大氣透射率光譜；(b) WSSM的結(jié)構(gòu)示意圖，該材料可實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧長波紅外激光散射、近紅外（NIR）激光吸收，并通過選擇性能量輻射實(shí)現(xiàn)輻射冷卻與紅外偽裝。

圖2.單元胞I和單元胞II的反射特性；(a) 單元胞I和單元胞II的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 紅外偽裝與輻射冷卻的理想反射率光譜；(c) 8-14 μm波段內(nèi)單元胞I和單元胞II的模擬反射相位及相位差；(d) 單元胞I和單元胞II在3-14 μm波段的模擬反射率光譜；藍(lán)色曲線代表單元胞 I和單元胞II在0.8-1.7 μm波段的（反射率光譜）。

WSSM在寬波段范圍內(nèi)的積分反射率和鏡面反射率模擬結(jié)果如圖3(a)和(b)所示，在8-12 μm范圍內(nèi)，平均鏡面反射率僅為4.35%，說明大部分能量被散射；而在3-5 μm和8-14 μm波段，積分反射率分別為81%和80%，對應(yīng)低發(fā)射率（0.19和0.20），有利于熱偽裝；在5–8 μm波段，積分反射率為46%，對應(yīng)高發(fā)射率（0.54），有利于輻射冷卻。圖3(c)所示為在8.5 μm和10.6 μm波長處的背向散射強(qiáng)度分布，顯示能量主要分布在45°、135°、225°和315°方向，鏡面方向幾乎無能量，驗證了其良好的激光散射能力。圖3(d)所示通過電場分布圖進(jìn)一步揭示了其工作機(jī)制：在3.3 μm、8.5 μm和10.6 μm波長處，電場主要分布在外空間，表明發(fā)生強(qiáng)烈散射；而在6.5 μm處，電場能量穿透結(jié)構(gòu)，被基底吸收，表明該波段具有高發(fā)射率。

圖3. 波長選擇散射超材料（WSSM）的模擬光譜及激光與紅外調(diào)控的光學(xué)機(jī)制；(a)和(b)波長選擇散射超材料（WSSM）的模擬積分反射率光譜與模擬鏡面反射率光譜；(c) 在3.3 μm、4.2 μm、8.5 μm和10.6 μm波長下，波長選擇散射超材料（WSSM）的模擬后向散射強(qiáng)度分布；(d) 在3.3 μm、6.5 μm、8.5 μm和10.6 μm波長下，波長選擇散射超材料（WSSM）的模擬電場強(qiáng)度分布；

本文研究最后進(jìn)行了熱仿真模擬，如圖4(a)所示，樣品置于加熱板上，通過石英襯底傳熱。圖4(b)所示為在400 °C加熱溫度下，WSSM的表面溫度比參考材料低12.6 °C，這歸因于其在5-8 μm波段的高發(fā)射率帶來的輻射冷卻效應(yīng)。圖4(c)所示進(jìn)一步比較了兩種材料在3-5 μm和8-14 μm波段的輻射強(qiáng)度，WSSM分別比參考材料低10.3%和3.8%，說明其熱偽裝性能更優(yōu)。圖4(d)所示為通過模擬熱圖像展示了WSSM在3-5 μm和8-14 μm波段的等效黑體輻射溫度分別為231.1 °C和132.0 °C，比參考材料低8.1 °C和4.6 °C，進(jìn)一步證實(shí)其優(yōu)異的紅外偽裝能力。

圖4.通過輻射冷卻提升中波紅外（MWIR）與長波紅外（LWIR）偽裝性能；(a) 溫度與熱模擬示意圖；(b) 加熱溫度從20 ℃升至400 ℃過程中，波長選擇散射超材料（WSSM）與參考材料的模擬表面溫度；(c) 波長選擇散射超材料（WSSM）與參考材料在3-5 μm（中波紅外）和8-14 μm（長波紅外）波段的模擬輻射強(qiáng)度；(d) 加熱溫度為400 ℃時，波長選擇散射超材料（WSSM）與參考材料在中波紅外和長波紅外波段的模擬熱成像圖。

結(jié)論與展望

綜上所述，本研究通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功實(shí)現(xiàn)了一種波長選擇性散射超材料（WSSM），在中波紅外、長波紅外、近紅外激光和寬帶可調(diào)諧長波紅外激光波段均表現(xiàn)出優(yōu)異的偽裝性能，同時在5-8 μm非大氣窗口波段實(shí)現(xiàn)了有效的輻射冷卻。該研究首先明確了設(shè)計目標(biāo)與結(jié)構(gòu)框架；然后揭示了兩單元結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及其相位調(diào)控機(jī)制；并全面展示了WSSM的反射、散射和電場分布特性，驗證了其多光譜調(diào)控能力；最后通過熱仿真和輻射溫度計算，證明了其在真實(shí)熱環(huán)境下的優(yōu)異性能。該研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于同時實(shí)現(xiàn)了長波紅外波段的寬帶散射和非大氣窗口波段的高發(fā)射率，克服了傳統(tǒng)設(shè)計中兩者難以兼顧的矛盾。此外，該結(jié)構(gòu)還具備角度不敏感、偏振無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用。制造方面，該結(jié)構(gòu)可采用常規(guī)薄膜沉積、光刻和剝離工藝制備，具有良好的可行性和擴(kuò)展性。