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图1 3~5μm谱段热隐身和5~8 μm谱段辐射冷却的应用场景
1. 导读
红外探测设备可以利用大气传输窗口（3~5 μm和8~13 μm）捕捉物体发出的热辐射，从而获取其信息。若无表面热辐射调控，目标的高温动力驱动部件(如发动机尾喷管)很容易被红外热像仪从周围环境中发现。此外，这些高温物体需要高效的热管理以确保持续稳定的运行。然而，应用红外全波段低发射率热隐身材料会阻碍物体通过热辐射进行散热。因此，高温物体同时实现热隐身和辐射散热是一个挑战（图1）。针对上述问题，中国科学技术大学叶宏教授团队和上海理工大学詹其文教授团队近日在《Nanophotonics》发表了最新合作研究成果。在这项研究中，他们提出了一种基于粒子群优化算法的逆向设计方案，基于耐高温材料数据库获得多层结构超材料，同时实现了高温物体的热隐身和辐射冷却。这些超材料在3~5
μm的大气传输窗口具有低发射率，可有效降低该频段内的热辐射强度，实现热隐身。同时，这些结构在5~8
μm的非大气传输窗口内具有较高的发射率，可将该波段热辐射发射到大气中实现辐射冷却。上述热隐身和辐射散热性能均实现了高温实验验证。该研究成果不仅为实现高温目标红外隐身和辐射散热提供了理论基础和设计指导，且为进一步开发具有环境适应性的中红外光学材料和设备提供了新的思路。2. 研究背景
随着光电技术的进步，能够感知红外辐射的红外探测设备在各种应用中得到了广泛的使用。这些探测器利用大气传输窗口，通常在3~5 μm和8~13 μm，有效感知物体表面发出的热辐射。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体释放的红外辐射信号强度与其表面发射率和绝对温度的四次方成正比。目标中的高温部件会产生显著的热信号。如果没有充分的热辐射管理，这些物体很容易被红外热像仪从周围环境中甄别。因此，对于高温物体，热隐身至关重要。对于高温黑体（>330
℃），热辐射通过3~5 μm波段发射的能量大于通过8~13 μm波段发射的能量，尽管前者波段更窄。因此，针对超高温物体的热隐身，应重点关注3~5 μm。先前的尝试很少解决这种高温实体的热隐身问题，主要是由于现有材料的热不稳定性。此外，应用在整个红外光谱上低发射率的热隐身材料会降低目标在非探测窗口的热辐射，从而阻碍物体通过热辐射进行散热。然而，这些高温物体的持续稳定运行需要高效的热管理。因此，对于高温物体，实现3~5 μm探测谱段的热隐身和5~8 μm非探测谱段的辐射冷却仍然是一个重大挑战。3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种基于优化算法的逆向设计方案，可同时实现高温物体的热隐身和辐射冷却。在该方案中，基于建立的耐高温材料数据库，结合传输矩阵法计算光谱特性，采用粒子群优化算法可以获得在3~5 μm具有低发射率且在5~8 μm具有高发射率的多层结构超材料。这种逆向设计方法无需数据训练，可在1小时内获取所需的方案设计（图2）。根据设计方案,制造了两种多层结构，并通过表征验证了设计方案。此外，两种设计方案均体现了大角度以及多偏振光的适应性（图3）。![]()
图2 逆向设计超材料的原理和设计结果
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图3 两种设计方案角度和波长依赖的辐射特性
团队又进一步设计了性能测试实验（图4）。实验结果显示两种结构在250℃和500℃有效实现了3~5 μm热隐身，显著降低了红外成像测得的辐射温度：分别降低了119 ℃和132
℃。在相同的加热功率密度下，与铝（Al）相比，由于它们的辐射冷却能力，结构1在0.75
W/cm²时实际温度降低29.4 ℃，而结构2在1.50
W/cm²时实际温度降低57.5℃。两种结构在实现高温物体的热隐身和辐射冷却方面表现出色，具有较大的应用潜力。![]()
图4 两种结构在3~5 μm红外隐身特性以及辐射冷却效果
4. 应用与展望
根据提出的基于耐高温材料数据库和优化算法的逆向设计，得到的两种超材料为高温物体的红外热隐身和辐射冷却的同时实现提供了新的解决方案。此外，采用的设计方法为获得基于材料适应性实现精细调节多光谱光学特性的超材料和进一步开发具有环境适应性的中红外光学器件和设备提供了新的思路。该研究成果以“Simultaneous Thermal Camouflage and Radiative Cooling for Ultrahigh-Temperature Objects Using Inversely Designed Hierarchical Metamaterial”为题在线发表于Nanophotonics。本文作者分别是Saichao Dang, Wei
Yang, Jialei Zhang, Qiwen Zhan, Hong Ye，其中Saichao Dang为第一作者，Qiwen Zhan教授和Hong Ye教授为共同通讯作者，第一通讯单位为中国科学技术大学。
