Z. C. Deng, P. Zhou, W. Y. Hu, X. Wang, R. Z. Gong, Biomimetic multilayer film simulating solar spectrum reflection characteristics of natural vegetations for optical camouflage, Optics Express 31, 37082 (2023).
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研究背景
针对能够准确区分目标与背景光谱的高光谱探测技术发展带来的伪装挑战，本文提出了一种具有颜色模拟功能的仿生薄膜（Ge/ZnS多层结构）用于光谱和激光伪装，并进行了实验验证。利用Ge/ZnS多层膜的波长选择特性，通过逆向设计，实现了模拟植被背景反射光谱特征并消除激光信号的仿生薄膜。选择性窄带吸收可以操控高光谱伪装（0.8-1.3μm高反射率）和激光伪装（1.06μm低反射率）在同一波段的相反条件。为了微观结构表征，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM，ZEISSSigma300）对制备的Ge/ZnS多层膜的横截面进行表征。对于光学测量，Ge和ZnS的折射率数据是在0.3-2.5µm波长范围内通过分光椭偏仪（VASEMarkII）获得的。利用紫外-可见-近红外分光光度计（ShimadzuUV3600-Plus）测量了绿叶和多层膜在可见光和近红外波段的反射光谱。
研究内容
图1(a)展示了平面化仿生薄膜的概念场景，即用两种类型的薄膜覆盖一辆汽车。传统的绿色薄膜和仿生薄膜都可以通过显示绿色来融入植被背景，从而实现对可见光成像的伪装。而传统绿色薄膜可以通过高光谱成像技术明确检测到，该技术测量了400-2500nm波段内每个波长的反射率。相反，仿生薄膜可以模拟植被背景的反射光谱，并实现对高光谱成像的伪装。对于高光谱成像，模拟绿色植物的反射光谱可以将物体与植被背景融合。图1(b)显示了400-2500nm波段内绿色植被叶片的反射光谱（绿色实线）。“绿色峰值”、“近红外平台”、“红边”和“水吸收谷”是400-2500nm植被反射光谱的主要特征。我们设计了一种平面化多层仿生薄膜，因为它易于制造且需要大规模应用。绿色仿生薄膜的结构如图1(c)所示。该薄膜由Ge和ZnS薄膜交替沉积而成，YbF3薄膜是该结构的顶层。
ZnS作为低折射率材料，为“近红外平台”的高反射率提供了薄膜相干干涉。图2绘制了Ge和ZnS的测量折射率n和消光系数k值。同时，YbF3的光学常数从参考文献24中提取。ZnS和YbF3在可见光到近红外波段均为透明。本文讨论的仿生薄膜由非周期性多层结构组成，该结构由在SiO2衬底上生长的Ge和ZnS交替层组成。初始结构参数为ZnS(220nm)/Ge(50nm)/ZnS(240nm)/Ge(50nm)/ZnS(160nm)/Ge(50nm)/SiO2(衬底)，该参数是手动设置和经验确定的，以使薄膜的光谱尽可能接近植被光谱。
图3显示了使用遗传算法进行优化设计的详细流程。图3(b)描述了优化的目标函数，它与图1(b)中所示的绿色植被反射光谱基本一致。YbF3薄膜被设置为顶层以实现抗反射，如图3(c)所示。在优化过程开始时，总共生成60个案例，这些案例由Ge、ZnS和YbF3材料随机排列在6层薄膜中，作为第一代。
收敛准则为：每次迭代中最相似光谱曲线（误差因子最低）在十代内不发生变化。基于上述反向设计方案，设计了仿生多层结构，该结构呈现出绿色植被的光谱特征和激光弱回波。结构的优化层厚参数列于表1中。与优化结构参数相关的计算光谱反射率如图3(d)所示。该结果表明，与绿色植被的反射光谱高度一致，在1.06µm处反射率较低，可作为激光伪装材料来隐藏来自激光雷达探测的回波信号。
对于可见光范围，反射光谱可以通过改变顶部ZnS和YbF3层的厚度来调节，从而使物体融入各种植被背景。通过将ZnS厚度从183纳米改变到203纳米，反射峰将在不同的波长处形成。
图4， (a)不同ZnS厚度下可见光-近红外区域的模拟反射光谱。插图是对应于ZnS厚度的计算颜色。(b)不同YbF3厚度下可见光-近红外区域的模拟反射光谱。插图是对应于YbF3厚度的计算颜色。(c)不同ZnS（白色十字）和YbF3（黑色十字）厚度的模拟色度坐标。
图5, (a,b)分别为斜入射角为15°−60°时，s偏振光和p偏振光的反射光谱。(c)斜入射角高达60°时，非偏振光的反射光谱。
结构在400-2500nm波段的反射率、透射率和吸收率被计算，结果如图6所示。光谱数据表明，由于Ge的强吸收，在300-800nm波段没有透射。
图7显示了波长为550、700、900、1060、1300和1450nm时的电场和电阻损耗分布，分别对应于绿色峰值、红边、近红外平台、水吸收带和激光器的每个特征。绿色区域指的是ZnS层，蓝色和红色区域指的是Ge和YbF3层。注意，波从右边界入射，衬底与左边界相邻。
图8， (a)ZnS厚度为193nm和YbF3厚度为62nm的样品图像。(b)用分光光度计测量的薄膜反射光谱。
图9.从环境温度到250°C退火温度下绿色仿生薄膜的测量反射光谱。
在不同温度的空气气氛中退火后，对绿色仿生薄膜的反射光谱进行了表征。如图9所示，绿色仿生薄膜的反射光谱在不同温度退火后变化很小，并且仍然保持良好的超光谱和激光伪装性能。
结论与展望
总之，本文提出并演示了一种基于逆向设计的多层Ge/ZnS结构的平面化仿生薄膜，该薄膜具有宽带光谱选择性，可用于高光谱激光伪装应用。利用遗传算法辅助设计，可以有效地优化Ge/ZnS多层结构，使其在0.4-2.5μm范围内具有植被光谱，并在1.06µm处具有低反射率。采用EBE技术制备的绿色仿生薄膜表现出优异的超光谱激光兼容伪装性能，在0.4-2.5μm范围内与植被具有高度可比性（>90%），在1.06µm处反射率低于20%。反射光谱的热稳定性经过实验测量，表明所提出的仿生薄膜在室温至250°C的服役温度下可以保持优异的超光谱伪装性能。从而可以动态改变颜色并与各种植被背景融合。这项工作提出了一种新颖的方法，通过平面化多层设计实现对高光谱和激光伪装的同步控制，在高效、精细的光谱调控方面具有广泛的应用。
