图1 基于反向设计和分层超材料的兼容热管理与红外隐身
1. 导读
红外隐身是避免红外探测器探测到多种红外特征信号的有效技术。在一些高温应用场景下，红外隐身技术结合中红外非大气窗口波段（5–8μm）的辐射散热能够降低温度，控制红外特征信号，进而提高装备的生存能力。然而，在平衡热隐身、激光隐身、热管理等红外需求方面仍然存在挑战。为此，科学家们也尝试利用一些人工结构设计中红外选择性发射体，并进一步设计了具有兼容中红外隐身和热管理能力的超材料构型。但普遍存在制备工艺复杂、红外隐身功能兼容性不强的问题。
针对这些问题，近日国防科技大学杨俊波研究员团队，联合深圳大学闫培光教授团队、西南大学吴加贵教授团队、南京邮电大学朱刚毅副教授团队设计并制备了一种基于反向设计和分层超材料的非周期性多层薄膜结构，实现了红外隐身和热管理的兼容。通过反向设计方法得到的非周期多层膜结构满足了中红外选择性发射光谱的需要。受益于分层超材料优化，使得多层膜系能够进一步兼容近红外激光隐身功能。这种多层膜系结构同时实现了中红外热隐身(ε3–5μm=0.21, ε8–14μm=0.16)、1.06μm\1.55μm\10.6μm多波段红外激光隐身(ε1.06μm=0.64, ε1.55μm=0.90, ε10.6μm=0.76)以及辐射散热的热管理(ε5–8μm=0.54)等功能。该研究成果实验论证了器件的红外隐身性能、热管理性能以及角度不敏感等特性，将为高性能的红外隐身技术提供解决方案。
2. 研究背景
现如今，随着激光器的发展成熟，红外探测手段已从原有中红外探测窗口(3-5μm，8-14μm)的辐射探测向着多窗口红外辐射探测和红外激光融合探测的方向发展。为此，迫切需求一种高性能红外隐身技术，在实现多窗口红外隐身的基础上，进一步考虑多波段红外激光隐身的平衡和综合设计。最近，打破对称性的热光子研究为波长选择性发射提供了一个有效的平台，从而实现了前所未有的光谱按需控制。作为经典打破物理几何对称性的方法——非周期多层薄膜吸收（发射）体成为研究热点，并被应用于辐射冷却、太阳光吸收、多波段隐身伪装等领域。
3. 创新研究
鉴于此，研究人员从反向设计方法出发，将中红外隐身理想发射率光谱与多层膜系建立联系，提出了一种结合光谱特性与多材料体系的薄膜设计新方法，从而解决了中红外隐身和热管理的兼容性问题，如图2(a-b)所示。相比于传统人工设计方法，反向设计方法以特定应用目标为牵引，以基本光学特性（原理）为基础，探索更为广泛的材料（薄膜）体系，找寻符合应用目标的多层膜系设计，可以实现多层薄膜结构点对点的高效设计过程。如图2(c-d)所示，通过顶层锗厚度的精细优化，把分层超材料概念与薄膜的光学色散结合，利用薄膜厚度变化在不同波长下的带来光学相位的巨大差异，实现了近红外激光隐身与中红外波长选择性发射的功能兼容。图2(e)中的实验结果表明该多层膜结构具有双红外大气传输窗口波段的热隐身能力(ε3–5μm=0.21, ε8–14μm=0.16)，1.06μm\1.55μm\10.6μm多波段红外激光隐身特性(ε1.06μm=0.64, ε1.55μm=0.90, ε10.6μm=0.76)以及非窗口区域的辐射散热(ε5–8μm=0.54)。
图2 应用于红外隐身和热管理的非周期多层光学膜结构设计和光谱测量(a-b)结合中红外隐身理想发射率光谱的多层膜系反向设计；(c-d)引入分层超材料优化的多层膜系反射光谱。其中，(c)为近红外的反射光谱，(d)为中红外的反射光谱；(e)实验测量和数值计算反射光谱的比较，右下角为多层膜系结构SEM图像。
进一步地，实验表征了样品的长波红外的热隐身特性以及热管理特性。如图3(a-b)所示，由于多层膜系在长波窗口波段的低发射率特性，使得其在较高的实际温度(60℃)下表现出与背景温度接近的表观温度(31.7℃)，进而实现了长波红外波段的热隐身。如图3(c-d)所示，将多层膜系选择发射体与传统金属反射层的热管理性能进行了比较，实验验证了该多层膜系的高温辐射散热性能。此外，根据普朗克黑体辐射定律，讨论了扩大辐射散热窗口的可能，从而为扩展红外隐身技术和热管理兼容提供了理论参考。
图3 热隐身特性以及热管理特性实验表征结果(a-b)反向设计多层膜结构热隐身性能表征；(c-d)反向设计多层膜结构辐射散热性能表征。
4. 应用与展望
研究团队提出的基于反向设计和分层超材料的兼容热管理与红外隐身可应用于高性能的红外隐身技术，有力提升了武器装备的红外隐身能力，解决了多种红外隐身和热管理的兼容性问题，有望为武器装备在战场环境下应对红外侦查和制导提供理想的解决方案。
该研究成果以“Implementing of infrared camouflage with thermal management based on inverse design and hierarchical metamaterial”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Xinpeng Jiang (姜鑫鹏), Huan Yuan (袁欢), Xin He (何新), Te Du (杜特), Hansi Ma (马汉斯), Xin Li (李鑫), Mingyu Luo (罗鸣宇), Zhaojian Zhang (张兆键), Huan Chen (陈欢), Yang Yu (于洋), Gangyi Zhu (朱刚毅), Peiguang Yan (闫培光), Jiagui Wu (吴加贵), Zhenfu Zhang (张振福), Junbo Yang (杨俊波)。其中，姜鑫鹏博士为第一作者，杨俊波研究员和张振福讲师为共同通讯作者。杨俊波团队隶属于国防科技大学理学院，吴加贵团队隶属于西南大学电子信息工程学院，闫培光团队隶属于物理与光电工程学院，朱刚毅团队隶属于南京邮电大学通信与信息工程学院。
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