光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)研究進(jìn)展綜述

隨著紅外探測(cè)技術(shù)手段的多樣化發(fā)展，紅外隱身技術(shù)的需求日益迫切。由于傳統(tǒng)的紅外隱身技術(shù)面臨著多途徑目標(biāo)探測(cè)和多功能兼容的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此研究光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)有著十分重要的意義。基于局域共振機(jī)制的亞波長(zhǎng)尺度的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)，極大地豐富了人們對(duì)光的傳輸行為的調(diào)控。在紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域，光學(xué)微納結(jié)構(gòu)可以針對(duì)紅外輻射特性進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，從而滿足理想紅外隱身發(fā)射光譜的需求，為發(fā)展更加多光譜、多功能、自適應(yīng)的紅外隱身技術(shù)提供全新的解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)研究進(jìn)展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為姜鑫鵬，主要從事超材料吸收體、選擇性發(fā)射體、紅外隱身方面的研究工作。通訊作者為楊俊波研究員，主要從事微納光學(xué)、硅基光電子學(xué)方面的研究工作。

本文圍繞紅外隱身技術(shù)的相關(guān)研究，首先介紹了多層薄膜吸收體、金屬表面等離子激元、基于相變材料薄膜可調(diào)吸收體、智能化設(shè)計(jì)光學(xué)微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光譜響應(yīng)的基本原理，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)回顧了近年來(lái)基于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的紅外隱身技術(shù)新特點(diǎn)，包括多光譜紅外隱身技術(shù)、多功能紅外隱身技術(shù)、自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，梳理了光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)所存在的不足及面臨的困難并對(duì)未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

圖1 光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)示意圖

光學(xué)微納結(jié)構(gòu)吸收機(jī)制

多層薄膜光學(xué)吸收的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，首先考慮單色光入射到一種介質(zhì)和金屬的簡(jiǎn)單兩層薄膜結(jié)構(gòu)，金屬的厚度延入射方向無(wú)限延伸，光場(chǎng)參量可以由傳輸矩陣給出。

圖2 介質(zhì)-金屬薄膜微腔示意圖

有趣的是，當(dāng)介質(zhì)厚度介于兩種特征厚度之間時(shí)，整個(gè)薄膜微腔的吸收率也會(huì)隨之發(fā)生改變，進(jìn)而有望通過(guò)薄膜厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)于吸收特性的調(diào)控。對(duì)于兩層以上的多層薄膜光場(chǎng)參量可以在兩層薄膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)而求得多層膜的光場(chǎng)參量。以四分之一光程差薄膜為代表的的多層光學(xué)膜計(jì)算是簡(jiǎn)單的。對(duì)于離散厚度和不透明的多層光學(xué)膜，其原理上依然遵從傳輸矩陣方程，而計(jì)算則會(huì)變得復(fù)雜，這在一定程度上豐富多層光學(xué)膜實(shí)現(xiàn)吸收的樣式。

光學(xué)超材料的表面等離激元特性

當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，在金屬表面會(huì)產(chǎn)生電磁表面波，這就是金屬的表面等離激元特性。在此，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬與介質(zhì)的交界面模型，對(duì)金屬表面等離激元的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

如圖3所示，金屬與介質(zhì)的介電常數(shù)分別為?1和?2。其中，β=kx表示的是沿x方向的傳播常數(shù)。在該模型中，材料具有金屬特性的條件是Re（?1）<0，而對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)電磁波頻率小于等離子體頻率ωp的時(shí)候，該條件都是滿足的。因此，表面等離激元的模式，對(duì)應(yīng)著沿x傳播且在z方向快速衰減的電磁波的波動(dòng)方程的解。

圖3 介質(zhì)和金屬交界面表面等離激元波示意圖

相變材料可調(diào)吸收機(jī)理

相變材料在外部激勵(lì)下能夠改變其晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)而帶來(lái)不同相態(tài)之間較大的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)差異。如圖4（a）所示，以相變材料鍺銻碲合金（GST）為例介紹相變材料的光學(xué)特性。其中紅外光學(xué)特性表現(xiàn)為由非晶態(tài)的無(wú)（低）損介質(zhì)向晶態(tài)的高損耗介質(zhì)轉(zhuǎn)變。如圖4（b）所示，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了GST-金組成的薄膜吸收體中，通過(guò)改變相變材料薄膜厚度，可以實(shí)現(xiàn)諧振波長(zhǎng)的調(diào)控。

通過(guò)柵極電壓、加熱、光能注入等方法可以實(shí)現(xiàn)相變材料在晶態(tài)（c-GST）和非晶態(tài)（a-GST）之間的連續(xù)可逆調(diào)控。這種調(diào)控的中間過(guò)程可以用Maxwell-Garnett，Bruggeman等多種等效介質(zhì)方法來(lái)理論分析。隨著相變材料由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，可以實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性的連續(xù)調(diào)控，這已成為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)的潛在方案之一。

圖4 （a）晶態(tài)與非晶態(tài)相變材料GST的中紅外介電常數(shù)；（b）隨GST厚度變化，薄膜微腔的實(shí)驗(yàn)吸收光譜

微納光學(xué)吸收體智能設(shè)計(jì)方法

如圖5（a）所示，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多數(shù)研究都是通過(guò)先驗(yàn)的方法獲得初始結(jié)構(gòu)，包括但不限于圖案結(jié)構(gòu)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、多層結(jié)構(gòu)、臺(tái)階形結(jié)構(gòu)。通過(guò)手動(dòng)選擇初始結(jié)構(gòu)，來(lái)研究一些光學(xué)諧振的基本原理。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程也被稱為正向設(shè)計(jì)，初始結(jié)構(gòu)可以被視為自變量，而光譜特性被視為由于結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的因變量。在正向設(shè)計(jì)的理論分析過(guò)程中，往往會(huì)給出耦合模式理論（CMT）、傳輸線理論、散射體模型等理論分析，以簡(jiǎn)化麥克斯韋方程組的求解。

圖5 （a）正向設(shè)計(jì)示意圖；（b）反向設(shè)計(jì)示意圖

如圖5（b）所示，反向設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)樣本群的光譜特性進(jìn)行分析，從而挑選出其中更加符合目標(biāo)函數(shù)的光譜，然后導(dǎo)出所對(duì)應(yīng)樣本特征。這種設(shè)計(jì)方法相比于正向設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)功能性器件過(guò)程中展現(xiàn)出更為強(qiáng)大的效能。由于洛倫茲互易性，場(chǎng)源的作用是可以互換的，這種反向設(shè)計(jì)對(duì)于解決復(fù)雜的多模場(chǎng)耦合優(yōu)化問(wèn)題和多體散射優(yōu)化問(wèn)題是可行的。在此過(guò)程中，簡(jiǎn)化手動(dòng)參數(shù)掃描和樣本篩選的算法有二進(jìn)制直接搜尋算法、遺傳算法、粒子群算法、梯度下降優(yōu)化等。

相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（正向設(shè)計(jì)）和最優(yōu)解優(yōu)化的反向設(shè)計(jì)，以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能化算法設(shè)計(jì)正在迅速發(fā)展，并對(duì)微納光器件產(chǎn)生深刻變革。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)器學(xué)習(xí)最有競(jìng)爭(zhēng)力的分支之一，也可以從正向設(shè)計(jì)和反向設(shè)計(jì)兩種方式來(lái)革新現(xiàn)有的吸收體（發(fā)射體）設(shè)計(jì)。如圖6所示，簡(jiǎn)要介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多層光學(xué)薄膜吸收體智能化設(shè)計(jì)的基本原理。第一種方式運(yùn)用訓(xùn)練集樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，簡(jiǎn)化了麥克斯韋方程組的求解，解決了傳統(tǒng)電磁仿真費(fèi)時(shí)耗力的問(wèn)題；第二種方式則類比于反向設(shè)計(jì)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)樣本的啟發(fā)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將電磁響應(yīng)（光譜曲線）作為輸入并直接輸出結(jié)構(gòu)。智能設(shè)計(jì)方法為進(jìn)一步提高微納結(jié)構(gòu)光器件性能和探索光與物質(zhì)相互作用提供了全新的途徑。

圖6 智能化算法驅(qū)動(dòng)的正向/反向設(shè)計(jì)流程示意圖

微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

多光譜紅外隱身技術(shù)

隨著探測(cè)技術(shù)的多樣化發(fā)展，僅僅縮減或控制紅外輻射能量的紅外隱身技術(shù)已不著見效。現(xiàn)如今紅外探測(cè)手段主要包括對(duì)于紅外目標(biāo)的紅外輻射探測(cè)和紅外激光雷達(dá)探測(cè)。輻射探測(cè)主要通過(guò)接收紅外目標(biāo)本身的輻射能量從而感知目標(biāo)的信息。激光雷達(dá)的工作原理則與微波雷達(dá)類似，通過(guò)發(fā)射紅外光探測(cè)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)的成像。在紅外隱身光譜需求上，應(yīng)對(duì)輻射探測(cè)和激光雷達(dá)的方法存在很大差異。隨著甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的發(fā)展，可探測(cè)的紅外窗口也在進(jìn)一步擴(kuò)展。因而，理想紅外隱身發(fā)射率模型也隨之與時(shí)俱進(jìn)。在此，結(jié)合已有紅外隱身的光譜需求研究，提出了更具廣泛性的紅外光隱身光譜模型，如圖7（a）所示。該理想光譜模型包括以下幾方面的考慮：（1）3~5、8~14、17~25 μm三個(gè)中紅外大氣窗口波段的低發(fā)射率以實(shí)現(xiàn)熱信息的偽裝；（2）5~8 μm和14~17 μm的雙波段非窗口波段高輻射率以實(shí)現(xiàn)輻射散熱；（3）1.06、1.55、10.6 μm三波段的高吸收率以實(shí)現(xiàn)紅外激光隱身。

圖7 （a）紅外帶內(nèi)兼容隱身理想發(fā)射光譜模型；（b）兼顧可見、紅外、微波的多波段兼容隱身理想發(fā)射光譜模型

對(duì)于多波段兼容問(wèn)題，旨在要求隱身技術(shù)考慮可見、紅外、微波等多個(gè)光譜區(qū)域，進(jìn)而避免在某一光譜范圍內(nèi)的“短板效應(yīng)”。如圖7（b）所示，朱桓正等給出了多光譜兼容隱身技術(shù)的幾點(diǎn)考慮：（1）基于人眼和硅探測(cè)器的可見光，如圖7（b）中彩色虛線框，波長(zhǎng)范圍為380~780 nm；（2）常見激光雷達(dá)波長(zhǎng)位置，如圖7（b）中紫色箭頭，波長(zhǎng)分別為1.55 μm和10.6 μm；（3）兩個(gè)中紅外大氣窗口，如圖7（b）中藍(lán)色虛線框，波長(zhǎng)范圍分別為3~5 μm和8~14 μm；（4）常用于火控系統(tǒng)的微波X波段，如圖7（b）中紫色虛線框，頻率范圍8~12 GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍2.5~3.8 cm。此外，該多光譜紅外隱身技術(shù)還建立了光譜輻射散熱通道，如圖7（b）中橙色虛線框，將非紅外大氣窗口的輻射散熱也綜合考量。

如圖8所示，總結(jié)了近年來(lái)光學(xué)微納結(jié)構(gòu)在多光譜紅外隱身領(lǐng)域的研究進(jìn)展。2017年，Zhang等設(shè)計(jì)并制備了一種一維光子晶體實(shí)現(xiàn)了紅外、激光、雷達(dá)的兼容隱身。圖8（a）利用Ge/ZnSe/Si摻雜材料堆疊而成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了10.6 μm激光隱身和長(zhǎng)波紅外窗口熱隱身。此外，通過(guò)引入微波吸收襯底，所提出的一維光子晶體摻雜結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)微波隱身的功能。2019年，Kim和Lee等提出了一種分層超材料方法用以實(shí)現(xiàn)多光譜隱身技術(shù)的方法。由于控制紅外光波和微波的兩種結(jié)構(gòu)的尺寸差異，分層超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)帶寬間的“分而治之”，進(jìn)而滿足多波段兼容的隱身技術(shù)需求。如圖8（b）所示，上層設(shè)計(jì)為一種亞波長(zhǎng)光柵陣列實(shí)現(xiàn)紅外波長(zhǎng)選擇性發(fā)射，而下層則構(gòu)建一種表面等離激元金屬超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)微波波段的有效吸收。這種分層超材料構(gòu)型，在實(shí)現(xiàn)紅外隱身和微波隱身的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了非窗口高紅外輻射率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了輻射熱管理。雙波中紅外透明窗口的平均發(fā)射率均低于0.2，非窗口區(qū)域的峰值發(fā)射率高達(dá)0.92。

圖8 （a）基于多層薄膜結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)；（b）基于分層超材料的多光譜兼容隱身技術(shù)；（c）基于分層超材料的紅外、微波、激光雷達(dá)隱身技術(shù)；（d）兼容可見光、紅外、微波、激光隱身的多光譜隱身技術(shù)；（e）基于靈活組裝的紅外和微波兼容隱身技術(shù)；（f）基于金屬-半導(dǎo)體-金屬超材料的可見和紅外隱身技術(shù)

2020年，借鑒分層超材料的設(shè)計(jì)方法，F(xiàn)eng等設(shè)計(jì)了一種兼容激光、紅外、雷達(dá)隱身的分層超材料。如圖8（c）所示，所提出的分層超材料構(gòu)型在實(shí)現(xiàn)紅外隱身和微波隱身的同時(shí)，利用亞波長(zhǎng)光柵增強(qiáng)了對(duì)于近紅外1.06 μm激光波段的吸收，從而降低了近紅外激光引導(dǎo)探測(cè)器的引導(dǎo)信號(hào)。2021年，朱桓正等提出了一種多光譜隱身超材料用以滿足紅外、激光、微波等多種隱身需求。如圖8（d）所示，通過(guò)整合Ge/ZnS兩種高低折射率材料堆疊的一維布拉格光柵結(jié)構(gòu)和電磁超材料吸收體，實(shí)現(xiàn)了紅外隱身技術(shù)帶內(nèi)兼容和多光譜隱身兼容，涵蓋的隱身功能包括1.55 μm和10.6 μm的紅外激光隱身，雙波紅外透明窗口的熱隱身（ε3-5 μm=0.11、ε8-14 μm=0.12）以及8~12 GHz波段的微波隱身（>0.9）。此外，通過(guò)結(jié)合遺傳算法，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的一維光子晶體多層膜在具有極高隱身性能的同時(shí)兼顧了輻射熱管理的需要，在非窗口區(qū)域的平均輻射率為0.61。2022年，Lee等在分層超材料概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的隱身性能。如圖8（e）所示，通過(guò)組裝柔性紅外發(fā)射器和柔性微波吸收器，紅外與微波隱身性能得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，使其在性能上達(dá)到了一些商用隱身材料的指標(biāo)。同年，Kim等引入了具有法布里-珀羅（F-P）和多種等離子體共振模式的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）超表面來(lái)實(shí)現(xiàn)多光譜紅外隱身技術(shù)。如圖8（f）所示，利用Ge層和Al光柵結(jié)構(gòu)中的局部表面等離子體模式實(shí)現(xiàn)可見光結(jié)構(gòu)色從而表征出迷彩圖案。Ge層的F-P共振在1.06 μm處引起>92%的強(qiáng)吸收，從而降低了紅外激光引導(dǎo)探測(cè)器的引導(dǎo)信號(hào)。此外，該MSM超表面還具備一定的短波、中波和長(zhǎng)波紅外波段的紅外隱身性能。

2023年，結(jié)合分層超材料和反向設(shè)計(jì)方法，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種多層薄膜結(jié)構(gòu)從而滿足了大部分紅外隱身技術(shù)帶內(nèi)兼容需求。通過(guò)反向設(shè)計(jì)方法，以特定應(yīng)用目標(biāo)為牽引，以基本光學(xué)特性（原理）為基礎(chǔ)，探索更為廣泛的材料（薄膜）體系，找尋符合中紅外隱身應(yīng)用的多層膜系設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)多層薄膜結(jié)構(gòu)與理想中紅外隱身光譜點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地高效設(shè)計(jì)。把分層超材料概念與薄膜的光學(xué)色散結(jié)合，利用薄膜厚度變化在不同波長(zhǎng)下帶來(lái)光學(xué)相位的巨大差異，實(shí)現(xiàn)近紅外激光隱身與中紅外波長(zhǎng)選擇性發(fā)射體的光譜兼容。該器件具備的功能包括中紅外熱隱身（ε3-5 μm=0.21、ε8-14 μm=0.16）、1.06 μm/1.55 μm/10.6 μm多波段紅外激光隱身（ε1.06 μm=0.64、ε1.55 μm=0.90、ε10.6 μm=0.76）以及輻射散熱的熱管理（ε5-8 μm=0.54）等。

多功能紅外隱身技術(shù)

以上關(guān)于多光譜紅外隱身技術(shù)的研究主要集中于解決紅外光譜帶內(nèi)隱身技術(shù)的兼容性問(wèn)題（近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外）以及應(yīng)對(duì)多光譜探測(cè)手段多光譜隱身的兼容性問(wèn)題（可見光、紅外隱身、激光隱身、雷達(dá)隱身）。作為紅外輻射調(diào)控的載體，紅外隱身技術(shù)的輻射調(diào)控波長(zhǎng)范圍一般覆蓋多個(gè)紅外大氣窗口。這些大氣紅外窗口在紅外顯示、輻射管理、光譜探測(cè)等方面具有諸多應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)而使得紅外隱身技術(shù)有望與輻射熱管理、紅外加密顯示等紅外功能實(shí)現(xiàn)兼容。

回顧了近年來(lái)紅外隱身技術(shù)兼容了紅外輻射熱管理和紅外加密顯示功能的一些研究進(jìn)展（見圖9）。在紅外輻射熱管理方面，紅外選擇發(fā)射體通過(guò)在不易探測(cè)的非大氣紅外窗口區(qū)域的高輻射率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于高溫或者較高溫物體的輻射散熱。2017年，劉東青等設(shè)計(jì)制備出由保護(hù)層Ge、超薄金屬Ag、介質(zhì)層Ge以及金屬層Ag四層膜結(jié)構(gòu)組成的F-P腔選擇性輻射紅外隱身材料。如圖9（a）所示，這種Ag/Ge多層薄膜紅外隱身選擇性發(fā)射器，通過(guò)超薄金屬Ag和介質(zhì)層Ge形成了一種非對(duì)稱F-P腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)阻抗匹配產(chǎn)生了非窗口區(qū)域的紅外波長(zhǎng)選擇性吸收。這種結(jié)構(gòu)在大氣窗口波段具有較低的發(fā)射率（ε3-5 μm= 0.18、ε8-14 μm= 0.31），而在非大氣窗口具有較高的發(fā)射率（ε5-8 μm= 0.82）。與低輻射率材料相比，選擇性發(fā)射器在真空和實(shí)際環(huán)境（T<200 ℃）中均顯示出更高的輻射冷卻效率，并且在紅外熱像儀上的表觀溫度更低。2020年，潘美妍等設(shè)計(jì)制備了一種應(yīng)用于兼顧熱管理、中紅外隱身、可見光偽裝的微納光柵結(jié)構(gòu)。如圖9（b）所示，通過(guò)Si/GST/Au光柵超材料表面激元效應(yīng)以及三種材料薄膜干涉效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)具有熱管理（ε5-8 μm= 0.77）、中紅外激光隱身（α10.6 μm= 0.90）以及雙窗口中紅外隱身（ε3-5 μm= 0.25、ε8-14 μm= 0.33）的能力。在相同的加熱功率下，通過(guò)比較樣品與等厚且等大小的Au膜的升溫速率和穩(wěn)態(tài)溫度，證明了該超材料選擇發(fā)射體通過(guò)輻射冷卻進(jìn)行熱管理的能力。同年，朱桓正等設(shè)計(jì)制備了耐高溫的布拉格光柵型多層薄膜紅外選擇發(fā)射體，實(shí)現(xiàn)了高溫條件下的紅外隱身技術(shù)與輻射熱管理功能兼容。在圖9（c）中，通過(guò)把熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、輻射熱三大傳熱過(guò)程耦合，建立了高溫情形下紅外選擇發(fā)射體與熱絕緣材料結(jié)合的綜合熱管理模型，解決了微納光學(xué)超材料綜合傳熱評(píng)價(jià)的難題。2023年，Yu等設(shè)計(jì)制備了一種Al∕SiO?∕Al的超材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了紅外隱身技術(shù)與輻射熱管理的技術(shù)兼容，如圖9（d）所示。該研究進(jìn)一步驗(yàn)證了亞波長(zhǎng)光柵應(yīng)用于高溫（T>300 ℃）熱輻射管理和紅外隱身技術(shù)兼容的可能。

圖9 （a）基于多層膜的熱隱身兼容熱管理；（b）基于超材料的紅外隱身與熱管理兼容；（c）基于多層膜的高溫多功能紅外隱身技術(shù)；（d）基于MIM的高溫?zé)犭[身與熱管理功能兼容；（e）可見光/紅外信息顯示與隱身技術(shù)；（f）基于GST的紅外加密與隱身兼容；（g）基于二氧化釩的紅外加密與隱身技術(shù)；（h）基于VWO?的紅外顯示與紅外隱身兼容；（i）基于反向設(shè)計(jì)可切換的紅外隱身超材料

在紅外加密顯示方面，通過(guò)對(duì)光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外輻射特性的操控有望讓器件表征出一些期望的紅外信息或圖像，這些圖像需要一些特定的紅外探測(cè)器接收進(jìn)而保障了信息安全，這將在敵我識(shí)別和保密通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。2021年，Xu等中利用納秒和毫秒脈沖激光，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)輻射超表面的調(diào)控。如圖9（e）所示，通過(guò)對(duì)具有相變材料GST薄層（~25 nm）的凸點(diǎn)超材料紅外發(fā)射率的調(diào)控，平均紅外輻射率的調(diào)控范圍為0.1~0.7。此外，這種方法有望對(duì)凸點(diǎn)形超材料獨(dú)立調(diào)控，進(jìn)而在紅外和可見光顯現(xiàn)出不同的圖案，最終實(shí)現(xiàn)了多波段信息編碼的目的。同年，Kim提出了一種平行激光束調(diào)制相變材料GST的方法。如圖9（f）所示，這種方法可以在相變材料GST多個(gè)厚度層發(fā)生相變，使得GST/Au的微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)控，其平均長(zhǎng)波紅外輻射率可以在0.26~0.8之間進(jìn)行梯度切換。除了硫系相變材料外，釩的化合物也是潛在的紅外輻射調(diào)控材料。如圖9（g）所示，Xu等通過(guò)引入易失相變材料二氧化釩（VO?）的多層薄膜諧振腔實(shí)現(xiàn)了對(duì)于8~14 μm波段紅外輻射調(diào)制，平均調(diào)制范圍在0.19~0.91之間。結(jié)合激光直寫的方法，多達(dá)9級(jí)調(diào)控的發(fā)射率連續(xù)調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)，并繪制了?；?、棋盤格、熊貓等色彩繽紛的紅外圖案。在圖9（h）中受生物模仿和中國(guó)水墨畫的圖案演變的啟發(fā)，報(bào)道了一種通用和有效的方法來(lái)制備基于W摻雜VO?的紅外熱圖像的可重構(gòu)和多層次演變的器件。此外，通過(guò)對(duì)釩氧化物摻雜金屬元素鎢的方法，可以有效地降低轉(zhuǎn)變溫度，使得該器件在常溫下實(shí)現(xiàn)可擦除的熱致紅外變色。

在先前的工作中，兼容熱輻射管理和紅外顯示功能的多功能紅外隱身技術(shù)往往是被分開考慮。實(shí)際對(duì)于紅外輻射的發(fā)射體來(lái)說(shuō)，通過(guò)可調(diào)控的紅外輻射特性，熱輻射管理、紅外顯示、紅外隱身可以在一個(gè)器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)。筆者研究團(tuán)隊(duì)近期利用反向設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了多功能紅外隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖9（i）所示。該裝置涉及：（1）在雙波段紅外大氣透明窗口具有較低的發(fā)射率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)紅外隱身功能；（2）對(duì)于非窗口波段（5~8 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)）的高發(fā)射率從而實(shí)現(xiàn)輻射冷卻進(jìn)而降低表面溫度；（3）通過(guò)調(diào)控相變材料的屬性，實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)制，進(jìn)而使得發(fā)射體的輻射波長(zhǎng)從非窗口輻射向中波紅外窗口移動(dòng)。這將使得隱身裝置的兼容功能在輻射熱管理與中波紅外顯示之間的切換，在切換過(guò)程中對(duì)于長(zhǎng)波紅外的隱身性能影響很小。

自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)

隨著偵察手段的進(jìn)步，傳統(tǒng)的隱身技術(shù)已不像當(dāng)初那樣“得心應(yīng)手”，因?yàn)樗鼈兇蠖喽际恰办o態(tài)隱身”，它在作戰(zhàn)環(huán)境變化過(guò)程中極易暴露，一旦被敵偵察系統(tǒng)識(shí)破，就可能成為精確制導(dǎo)武器打擊的目標(biāo)。為了能夠面對(duì)紛繁復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，使得軍事目標(biāo)的紅外信息融于背景之中，從而讓紅外探測(cè)器難以察覺，自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)是一種能根據(jù)背景、敵方威脅等戰(zhàn)場(chǎng)情況的變化，使被偵測(cè)目標(biāo)做出自動(dòng)、連續(xù)響應(yīng)，并保持良好隱身效果的新型隱身技術(shù)。通過(guò)綜合使用材料、控制、傳感等技術(shù)手段，使得被偵測(cè)目標(biāo)，特別是動(dòng)態(tài)目標(biāo)的紅外特征根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而使目標(biāo)有效融入背景，達(dá)到隱身掩護(hù)目的。通過(guò)引入新型材料設(shè)計(jì)出的微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)展現(xiàn)出了突出的紅外輻射調(diào)控能力。這些新材料新結(jié)構(gòu)也是目前自適應(yīng)紅外隱身的研究熱點(diǎn)之一。

按照引入新材料的不同，總結(jié)了近年來(lái)基于新材料微納結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)熱偽裝器件，如圖10所示。諸如Ge?Sb?Te?、Ge?Sb?Se?Te?、In?SbTe?等硫系相變材料是潛在的紅外輻射調(diào)控材料。如圖10（a）和（b）通過(guò)引入GST的相變薄膜微腔，分別通過(guò)加熱和激光直寫的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)于長(zhǎng)波紅外輻射的調(diào)控，其調(diào)控區(qū)間在0.1~0.9之間，展現(xiàn)了相變材料GST應(yīng)用于紅外輻射調(diào)控的廣泛應(yīng)用前景?，F(xiàn)如今，液晶作為一種可見光顯示材料已經(jīng)深入到千家萬(wàn)戶。在圖10（c）中，通過(guò)液晶中微晶方向的偏轉(zhuǎn)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于紅外輻射特性的調(diào)控。釩的氧化物因?yàn)槠湟资缘南嘧兲攸c(diǎn)，有望在紅外輻射調(diào)控、智能窗、紅外探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。圖10（d）和（e）中引入VO?作為輻射調(diào)控材料，分別設(shè)計(jì)了一種具有VO?薄膜結(jié)構(gòu)，使其能夠像變色龍一樣改變“紅外顏色”，進(jìn)而證明了釩的氧化物在自適應(yīng)熱隱身技術(shù)方面的應(yīng)用前景。如圖10（f）所示，Tang Kechao等利用WVO?材料通過(guò)對(duì)溫度的調(diào)控，有效地調(diào)整目標(biāo)物體紅外輻射特性，使其發(fā)出與周圍環(huán)境相同的紅外輻射，從而使它們對(duì)紅外檢測(cè)設(shè)備不可見。石墨烯通過(guò)調(diào)控載流子濃度進(jìn)而影響電導(dǎo)率模型的變化，有望實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)控。如圖10（g）和（h）所示，Coskun Kocabas教授課題組利用多層石墨烯材料實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)熱偽裝的動(dòng)態(tài)演示。通過(guò)電壓的精確調(diào)控，演示了人手、字母圖案等紅外信息/特征從“顯示”到“隱身”的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這些石墨烯的研究進(jìn)展使得其在紅外輻射調(diào)控領(lǐng)域已具備廣泛應(yīng)用的潛力。此外，結(jié)合金屬材料的微納結(jié)構(gòu)，通過(guò)金屬超材料構(gòu)型的改變和金屬材料的改性，有望實(shí)現(xiàn)紅外輻射的調(diào)控。如圖10（i）通過(guò)調(diào)控金光柵間隙大小，使得表面等離激元吸收產(chǎn)生于不同的諧振頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬帶或者可調(diào)吸收。該研究從理論上，驗(yàn)證了金屬超材料應(yīng)用于自適應(yīng)熱隱身以實(shí)現(xiàn)偽裝、欺騙和信息傳遞等功能的應(yīng)用前景。如圖10（j）所示，基于納米Pt膜的裝置，劉東青等通過(guò)電沉積調(diào)制Ag的方法，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)紅外隱身。隨著Ag電沉積過(guò)程的進(jìn)行，裝置從中紅外波長(zhǎng)范圍的高發(fā)射率向低發(fā)射率轉(zhuǎn)變，通過(guò)Ag電溶解可以使發(fā)射率反向變化。該裝置通過(guò)電溶解和沉積的方法可以實(shí)現(xiàn)300次以上的循環(huán)調(diào)制，解決了自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的難題。

圖10 （a）~（b）通過(guò)調(diào)控硫系相變材料的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（c）通過(guò)調(diào)控液晶排列方向的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（d）~（f）通過(guò)調(diào)控釩的氧化物的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（g）~（h）通過(guò)調(diào)控石墨烯的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（i）~（j）通過(guò)調(diào)節(jié)MIM金屬超材料尺寸和運(yùn)用金屬電沉積方法實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)

總結(jié)與展望

文中詳細(xì)介紹了薄膜干涉結(jié)構(gòu)、金屬表面等離激元、相變材料實(shí)現(xiàn)光吸收的基本原理以及通過(guò)智能化算法設(shè)計(jì)微納結(jié)構(gòu)吸收體的基本原理。從微納光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光吸收的基本原理出發(fā)，通過(guò)紅外選擇發(fā)射體這一橋梁，回顧了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在紅外隱身技術(shù)上的新進(jìn)展，這些進(jìn)展包括應(yīng)對(duì)多種紅外探測(cè)手段的紅外隱身技術(shù)、兼容可見-紅外-微波的多光譜紅外隱身技術(shù)、調(diào)控紅外輻射特性實(shí)現(xiàn)的多功能紅外隱身技術(shù)以及自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)。目前，將光學(xué)微納結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紅外隱身技術(shù)，使得紅外隱身技術(shù)從原有的單光譜單要素向著多光譜多要素發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的現(xiàn)代紅外探測(cè)技術(shù)，未來(lái)的紅外隱身技術(shù)可能聚焦于以下幾個(gè)方面的研究。

具備高性能的紅外隱身技術(shù)。針對(duì)已有的紅外隱身理想發(fā)射體模型，現(xiàn)有的紅外隱身技術(shù)還不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的匹配。通過(guò)智能化算法設(shè)計(jì)有望探索更加廣泛的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而更加趨近于理想的紅外隱身模型。針對(duì)可見光、紅外、太赫茲、微波的多光譜隱身問(wèn)題，迫切需要更具均衡性的設(shè)計(jì)，從而避免在某一光譜范圍內(nèi)的“短板效應(yīng)”。此外，對(duì)于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)在不同波段耦合和解耦的理論和方法，亟需進(jìn)一步系統(tǒng)性研究和設(shè)計(jì)，從而為高性能的紅外隱身以及兼顧紅外隱身的波段兼容隱身提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

紅外隱身技術(shù)有望與熱輻射管理、紅外信息加密、紅外光譜探測(cè)等諸多紅外輻射調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能兼容?，F(xiàn)如今，一些光學(xué)微納結(jié)構(gòu)研究通過(guò)精細(xì)化的紅外輻射特性調(diào)控，使得紅外隱身技術(shù)向著多種功能兼容的方向發(fā)展。這些新研究在擴(kuò)展紅外隱身技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)有望使得紅外隱身技術(shù)成為一種高集成化光器件平臺(tái)，在未來(lái)軍事和戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

紅外隱身微納結(jié)構(gòu)制備的研究，將使得紅外隱身技術(shù)從基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)型。在柔性制備方面，通過(guò)將微納結(jié)構(gòu)制備在PET、PI膜、氣凝膠等柔性襯底上，滿足了保形工藝的需要。然而，柔性材料在高溫下的耐受性能仍需進(jìn)一步研究，以篩選適用于紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域的柔性材料。此外，隨著3D打印、納米壓印、光刻技術(shù)等先進(jìn)微納結(jié)構(gòu)制備方法的發(fā)展，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)紅外隱身微結(jié)構(gòu)的大面積、低成本制造。

具備感知能力的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)。目前如液晶、二維材料、相變材料、釩的氧化物等具有紅外輻射調(diào)控能力的新材料已被廣泛研究。而集感知和隱身于一體的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)方興未艾，這將需要紅外隱身系統(tǒng)從背景中檢測(cè)到的紅外信息作為輸入來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整表面的紅外輻射以進(jìn)行紅外隱身。這將需要涉及光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域交叉合作來(lái)進(jìn)一步研究自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)的構(gòu)建。筆者堅(jiān)信，通過(guò)光學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的不懈努力，這樣具備感知能力的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)必將會(huì)在紅外隱身領(lǐng)域嶄露頭角。

這項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（60907003、61805278、12272407、62275269、62275271）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0706005）的資助和支持。

審核編輯：劉清