图1 可见-红外兼容伪装深亚波长超构薄膜概念示意图与样品图片
1. 导读
伪装技术在现代军事和民用领域皆具有非常重要的应用。随着探测技术的快速发展，多谱段伪装技术，特别是可见-红外兼容的伪装技术需求迫切。现有的伪装方法通常不是具有结构复杂、制备成本高的缺陷，就是存在可见和红外光物性不能独立操控，难以实现可见-红外兼容伪装等问题，限制了其应用。
针对这些问题，近日中国科学院上海技术物理研究所、复旦大学合作研究团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种可见-红外兼容的深亚波长超构薄膜（见图1）。该超构薄膜由Si, Bi, Si和Cr四层薄膜组成，总厚度为350nm左右，只需要镀膜设备即可完成制备。基于结构中两种不同的谐振机制，非对称法布里珀罗腔谐振和半金属-介质-金属腔谐振，可实现可见光与红外光解耦独立调控，以达到可见-红外兼容伪装的要求。团队基于数值计算和实验相结合的方法，系统地研究了薄膜各层结构参数分别与其可见光和红外光波段光学性质之间的关系，分析了结构色产生和红外辐射特性的物理机制，并设计场景验证了其可见-红外兼容伪装的能力。
2. 研究背景
伪装在自然界中是非常常见的现象，许多生物具有卓越的伪装能力，其能够与所身处的环境完美融合，以迷惑捕食者或猎物。伪装的本质是将物体自身的特征与环境相融合，以达到隐身的目的。要想实现可见-红外兼容伪装则要求：在可见光波段，被隐藏的物体需呈现与背景相同的颜色；在红外大气透明窗口波段，即通常红外探测装置的工作波段范围，要求物体向外辐射的信号低，而在红外非大气透明窗口波段，则希望物体向外辐射的能力强。
近年来，许多不同类型的人工微纳结构体系相继被报道用于伪装应用，如光子晶体、等离激元微结构、超构材料、超构表面和二维材料等。不过，虽然这些方法在某些方面获得了优异的伪装性能，但通常采用的微纳结构体系要么难以同时实现可见光和红外伪装，要么其制备过程需要复杂的微纳加工工艺，生产成本高，且难于大面积制备。
3. 创新研究
研究人员从简单的薄膜堆栈结构体系出发，提出了一种可用于可见光和红外兼容伪装的深亚波长超构薄膜。该超构薄膜从上至下依次由十纳米级厚度的Si, Bi和百纳米级厚度的 Si和Cr四层薄膜组成（见图1）。研究发现，半金属Bi层在该薄膜结构体系中扮演着非常重要的角色。一方面，Bi与在可见光波段具有强吸收性质的顶层Si组合为一个非对称法布里珀罗微谐振腔，薄膜体系在可见光波段的光学性质主要取决于该非对称法布里珀罗微腔的物性。另一方面，Bi又与其底部的Si层和Cr层组合构建成一个半金属-介质-金属型谐振腔，薄膜在红外波段的辐射特性由此谐振腔决定。
在合适的设定底部三层厚度并保持不变的情况下，改变顶层Si的厚度，超构薄膜可见光谱的特征会随之变化，而红外辐射谱的性质则保持不变（结果如图2所示）。也就是说，我们可以通过改变顶层Si的厚度，使超构薄膜呈现不同的颜色，以适应不同背景，同时保证在红外大气透明窗口低辐射以抑制其红外热辐射，和红外大气非透明窗口高辐射以实现辐射降温的性质不变。这样可见-红外即可解耦调控，实现可见-红外兼容伪装的要求。
图2 不同顶层厚度的超构薄膜可见反射光谱和红外辐射谱
团队还研究发现，由于由顶部两层Si和Bi组成的非对称法布里珀罗微腔的总厚度为十纳米级，远小于可见光的波长，薄膜的总厚度也仅有350nm左右，具有显著的深亚波长的特征。因此，该超构薄膜光学性质对角度不敏感，具有良好的宽角度可见-红外兼容伪装效果。
为了验证所制备的可见-红外兼容伪装超构薄膜的伪装性能，团队又进一步模拟了几个实际的应用场景。场景一实验结果显示，与参考样品（大气窗口与超构薄膜具有相同的辐射性质，而非大气窗口辐射性能要低得多）相比，我们所提出的超构薄膜具有明显更好的降温效果（图3（a, b））。场景二中我们以“海洋”为背景，图3（c，d）中的结果显示蓝色的超构薄膜样品不但与“海水”的颜色几乎完全一致，而且在热红外相机所拍摄的照片中其基本也可与“海水”背景完全融合。最后，超构薄膜的总厚度仅为几百纳米，具有良好柔性性能，可适用于曲面物体伪装需求（见图3（e，f））。
图3 超构薄膜伪装性能验证
4. 应用与展望
研究团队提出的可用于可见-红外兼容伪装的深亚波长超构薄膜，具有结构简单、深亚波长厚度、无需复杂的微纳加工技术、可大面积柔性化制备等优点。基于非对称法布里珀罗腔谐振和半金属-介质-金属腔谐振两种不同工作机制，可以实现可见与红外波段的光学特性独立调控，从而具有良好的可见-红外伪装兼容性。深亚波长的薄膜结构厚度还使其具有优异的角度不敏感性。本工作的研究结果为可见-红外兼容伪装提供了一种简单而有效的途径，有望在实际场景中发挥重要作用。
该研究成果以“Deep-subwavelength multilayered meta-coatings for visible-infrared compatible camouflage”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Chong Tan, Zhengji Wen, Jinguo Zhang, Dongjie Zhou, Qianli Qiu, Meikang Han, Yan Sun, Ning Dai, Jiaming Hao。其中前两位作者为共同第一作者，Jiaming Hao教授为通讯作者。
两江科技评论