OL：具有輻射熱管理的波長選擇性散射超材料的寬帶可調諧激光和紅外偽裝

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

隨著現代探測技術的飛速發展，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、安防和遙感等領域的應用日益廣泛。傳統的單一波段偽裝材料已難以應對復雜多變的多光譜探測環境，尤其是近年來寬帶可調諧激光技術的發展，使得傳統基于選擇性吸收的激光偽裝策略面臨嚴峻挑戰。例如，基于BaGa4Se7晶體的可調諧激光器可實現8–14 μm范圍內的寬帶高能量輸出，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控的能力，成為實現多光譜兼容偽裝的重要研究方向。現有的研究主要集中在紅外與激光兼容偽裝的設計上，包括多層膜結構、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非大氣窗口波段實現輻射冷卻的能力。然而，同時實現長波紅外波段的寬帶散射和非大氣窗口波段的高發射率仍然是一個難題。這是因為兩者在設計原理上存在矛盾：高發射率要求結構在5-8 μm波段具有強吸收，而寬帶散射則要求結構在8-14 μm波段具有特定的相位調控能力，且這兩個波段波長接近，難以獨立調控。因此，如何在實現輻射冷卻的同時，還能對中波紅外、長波紅外和激光波段進行有效偽裝，是當前研究的重要挑戰。

研究內容

本研究提出了一種波長選擇性散射超材料（Wavelength-Selective Scattering Metamaterial，WSSM），用于實現寬帶可調諧激光偽裝、紅外熱偽裝以及非大氣窗口波段的輻射冷卻。該結構由兩部分組成：底層為波長選擇性的Ge/ZnS多層膜結構，用于調控熱輻射特性；頂層為棋盤狀排列的ZnS超表面單元，用于實現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），旨在實現多光譜兼容偽裝與輻射冷卻功能，其設計目標需滿足以下四項關鍵性能指標，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（低發射率），以此抑制熱輻射，實現紅外偽裝。模擬結果顯示，WSSM在3-5μm和 8-14μm波段的發射率分別為0.19 和0.20，對應的反射率分別約為81%和80%，符合低發射率的要求。在長波紅外激光波段（8-12μm，寬帶可調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，實現激光偽裝。實驗模擬得出，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度。在非大氣窗口（5-8 μm），具備低反射率（高發射率），以此實現高效輻射冷卻，進一步提升紅外偽裝效果。模擬數據表明，WSSM在5-8 μm波段的發射率為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，通過薄膜干涉效應實現近紅外激光偽裝。模擬結果顯示，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采用雙層結構設計，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），底層多層膜負責熱輻射調控，頂層超表面負責激光散射。圖2(a)所示了兩種單元結構（Unit Cell I和Unit Cell II）的詳細層狀結構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)所示為兩種單元結構的反射譜模擬結果，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生相消干涉，從而導致鏡面反射被抑制，能量被散射至其他方向。圖2(d)所示進一步表明在1.06 μm和1.55 μm處反射率極低，說明該結構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。藍色區域代表大氣透射率光譜；(b) WSSM的結構示意圖，該材料可實現寬帶可調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現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的結構示意圖；(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在寬波段范圍內的積分反射率和鏡面反射率模擬結果如圖3(a)和(b)所示，在8-12 μm范圍內，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%，對應低發射率（0.19和0.20），有利于熱偽裝；在5–8 μm波段，積分反射率為46%，對應高發射率（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一步揭示了其工作機制：在3.3 μm、8.5 μm和10.6 μm波長處，電場主要分布在外空間，表明發生強烈散射；而在6.5 μm處，電場能量穿透結構，被基底吸收，表明該波段具有高發射率。

圖3. 波長選擇散射超材料（WSSM）的模擬光譜及激光與紅外調控的光學機制；(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）的模擬電場強度分布；

本文研究最后進行了熱仿真模擬，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波段的高發射率帶來的輻射冷卻效應。圖4(c)所示進一步比較了兩種材料在3-5 μm和8-14 μm波段的輻射強度，WSSM分別比參考材料低10.3%和3.8%，說明其熱偽裝性能更優。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，進一步證實其優異的紅外偽裝能力。

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。

結論與展望

綜上所述，本研究通過巧妙的結構設計，成功實現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諧長波紅外激光波段均表現出優異的偽裝性能，同時在5-8 μm非大氣窗口波段實現了有效的輻射冷卻。該研究首先明確了設計目標與結構框架；然后揭示了兩單元結構的光學特性及其相位調控機制；并全面展示了WSSM的反射、散射和電場分布特性，驗證了其多光譜調控能力；最后通過熱仿真和輻射溫度計算，證明了其在真實熱環境下的優異性能。該研究的創新點在于同時實現了長波紅外波段的寬帶散射和非大氣窗口波段的高發射率，克服了傳統設計中兩者難以兼顧的矛盾。此外，該結構還具備角度不敏感、偏振無關等優點，適用于復雜環境下的實際應用。制造方面，該結構可采用常規薄膜沉積、光刻和剝離工藝制備，具有良好的可行性和擴展性。