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论文信息：
Lehong huang,Wenbo Zhang,Yuxuan Wei,Haochuan Li,XUN Li,Caiwen Ma,Chunmin zhang.
Flexible Ge/Cu/ZnSe multilayer photonic
structures for triple-band infrared camouflage,
visible camouflage, and radiative cooling, Optics Express,Vol. 32, Issue 21, pp. 37295-37309 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.534651
伪装技术旨在降低被检测的可能性，提高目标的存活率，在保护重要设施、人员和资产方面起到至关重要的作用。随着在不同光谱范围内组合检测方法的技术的不断发展，提高不同波段伪装技术的兼容性变得尤为重要。
主流伪装技术中，红外(IR)伪装技术通过降低其在两个大气窗口(3-5µm和8-14µm)内的热辐射从而达到“伪装”效果。物体的热辐射可以通过降低其发射率和实际温度来抑制，然而，降低发射率会导致实际温度上升，从而增加辐射能量并削弱伪装性能。因此伪装材料需要在特定的大气窗口表现低发射率以实现低探测性，在非大气窗口中表现出高发射率以实现有效的辐射冷却。
本实验多层膜选择Ge/Cu/ZnSe三种常用的涂层材料作为涂层材料，同时具有可见光伪装、红外伪装和辐射冷却三重功能。它在红外探测的三个主要波段表现出低发射率，在非大气窗口波段表现出高发射率，在可见波段具有低反射率，并且可以通过改变ZnSe顶层的厚度来调制多种可见颜色。
多波段伪装依赖于波长光谱的可探测性与该波长的电磁波通过大气的透射率的关系。在红外光谱的大气窗口中短波红外(SWIR，1.2-2.5µm)、中波红外(MWIR，3-5µm)和长波红外(LWIR，8-14µm)需要低发射率，因为大多数热成像仪和热制导的导弹都在这些波长范围内工作。而在非大气窗口（5-8µm）中，中等温度物体(100-300 °C)的热辐射强度最大，需要高发射率进行辐射冷却，而不影响红外伪装。对于可见光范围(380-780
nm)，反射光谱需要具有低反射率并接近背景，从而呈现出与周围环境相似的颜色。结构设计
锗作为薄膜材料，具有高透过率、低散射和低吸收率的光学性能。铜具有良好的红外透过性和膜层强度，常用于涂覆锗系红外玻璃透射增强膜，其较大的折射率与吸收区域的差异是强干涉和选择性吸收的基础。此外，铜由于其高自由电荷密度和高消光系数多用作多层膜中的主要热辐射层。基于此我们选择锗和铜设计红外选择性发射涂层，以实现红外波段的伪装和辐射冷却。但是当锗层达到一定厚度时，涂层在可见光下基本不透明。为此，在Ge/Cu涂层顶层设计一层透射范围为0.5-15µm的ZnSe作为减反射层，依靠其非常低的散射损耗实现可见光波段的伪装。另外，由于可见光的短波长，ZnSe的厚度在其它光谱范围内是可忽略的，并且对其下涂层的光谱范围几乎没有影响。结构设计方面，通过差分进化(DE)算法与传输矩阵法(TMM)结合，得到了优化的多层膜结构ZnSe(30-300 nm)/Ge(298.68
nm)/Cu(10 nm)/Ge(656.18 nm)/ Cu(10 nm)/ Ge(329.15 nm)，该结构可以实现从可见光到长波红外的超宽光谱调制。并且将薄膜与柔性基板材料聚酰亚胺结合，满足了不同引用场合的形变需求。![]()
图1. Ge/Cu/ZnSe多层光学薄膜结构
图2(b)显示了选择性发射涂层的红外发射光谱，表明其在红外范围内具有优异的选择性发射性能。选择性发射体在加热前(蓝色虚线)和在392 K下加热1小时后(红色虚线)的发射光谱几乎相同(图2(c))，表明所设计的选择性发射体具有较强的耐温性。如图2(f)所示基于可见光伪装背景，选择了几种常见的颜色，使用厚度为30、100、140、180、220和270 nm的ZnSe来模拟。当表面ZnSe衰减层的厚度从10 nm增加到300
nm时，光谱反射率对应于类似于sRGB色域(白色虚线三角形)的颜色范围(黑色散射)(图2(g))。在颜色空间的性能表明，这种选择性发射器的适应性，以各种背景的可见光伪装的要求。![]()
图2. b)通过FTIR光谱仪测量的选择性发射体在1.2-14 µm光谱范围内的发射/吸收光谱。c）在加热之前(蓝色虚线)和在392 K下加热1小时之后(红色虚线)所选发射体的发射光谱。f）在表面ZnSe衰减层的厚度为30 nm、100 nm、140 nm、180 nm、220 nm和270 nm时，多层膜结构在可见波段中的光谱反射率和对应于每个厚度的可见光照片g)在CIE 1931色度图中，当表面ZnSe衰减层的厚度从10 nm增加到300 nm(以10
nm为步长)时，对应于可见波长带(黑色散射点)和sRGB色域范围(白色虚线三角形)中的光谱反射率的坐标。
时域差分仿真分析
基于图2所示的红外光谱发射率，使用时域有限差分法(FDTD)进一步模拟每个光谱范围的平均发射率，这更直接地量化了所设计的膜的红外伪装和散热性能。在许多应用中，需要以大的入射角发射横向电波(TE)和横向磁波(TM)。图3(a1)和图3(a2)分别显示了倾斜入射时TM和TE偏振波的发射率与波长的关系，并带有不同颜色的线。随着入射角的增大，TM波的高发射带整体蓝移，带宽几乎不变，而TE波的高发射带带宽缩小，但整个发射光谱保持其高性能。如果入射角小于60°，发射带不会偏离5-8µm(如图3(a3)所示)，即所设计的选择性发射器具有在宽范围的入射角上操作的能力。![]()
图3. .FDTD仿真分析a1-2)以0°至40°的角度入射的TM和TE偏振波的发射率与波长之间的关系
为了理解多层膜结构的选择性红外发射机制，我们使用时域有限差分(FDTD)方法，获得多层膜每层内不同波长处的辐射能量传输分布。在1.2-2.5µm、3-5µm、5-8µm和8-14µm四个波长范围内，分别计算了垂直于薄膜表面方向的坡印廷矢量的空间分布，结果如图4所示。在多层膜中，大部分能量集中在膜的外表面，而在膜的内表面能量急剧下降，并且仅在膜系统的表面附近出现高共振。该膜系的高反射特性使其在两个波段之间实现红外伪装成为可能。在5.8µm波长下，辐射能量可以在薄膜内部长时间传输，穿透薄膜体系，并将大部分能量传输到基板上，说明基板吸收较多，可以实现散热功能。![]()
图4. c1-4）在1.8μm、3.5μm、5.8μm和9.2μm波长下垂直于膜表面的坡印廷矢量的空间分布
红外伪装评估
基于三个大气窗口的热辐射特性，对选择性发射体的红外伪装性能进行了表征。本研究以TC4为低发射率参考材料，与所设计的选择性发射体的红外伪装性能进行比较。当红外探测器位于飞机下方时，它收集从飞机发射的辐射以及反射的地球辐射。收集样品发出的辐射和样品反射的环境辐射，在SWIR、MWIR和LWIR范围内测量样品I和II的表观温度，并捕获红外图像。样品I和II的红外图像如图5(c1-3)所示，表观温度T如图5(d1-3)所示。![]()
图5.地球辐射反射选择性发射体红外伪装性能表征c1-3)白天背景温度为100°C时，由1.2-2.5µm、3-5µm和8-14µm探测器捕获的红外热图像。d1-3)白天背景温度为100°C时，通过1.2-2.5µm、3-5µm和8-14µm探测器测量的表观温度变化
在3-5µm波段的红外探测器观测下，虽然选择性发射体和钛合金在该波段的发射率相似，但由于辐射冷却，选择性发射体表现出较低的平均表观温度，导致实际温度降低。在373 K的背景温度下，样品I和样品II之间的表观温差为10.1°C。在1.2-2.5μm和8-14μm波段的红外探测器下观察到类似的实验结果。在373 K的背景温度下，样品I和样品II之间的表观温差分别为8.9°C和8.8°C。
没有地球辐射反射的情况下，红外检测器仅收集物体发出的辐射。在夜晚进行相同的实验，当用IR检测器在1.2-2.5µm范围内观察时，样品I和样品II之间的表观温度差为10.3°C，在3-5µm范围内为11.5°C，在8-14µm范围内为10.2°C。总之，红外伪装可以通过设计选择性的发射材料和调节热辐射特性来实现。选择性发射体和参考材料之间的最大发射率差异主要发生在5-8µm范围内，而不是在大气窗口内。5-8µm范围内的辐射通量水平与发射率呈正相关，这意味着发射率的差异导致净辐射通量的差异，从而导致冷却能力的差异。相反，在三个大气窗口内，选择性发射体和钛合金参考的发射率相似，这意味着热辐射对净辐射通量的影响较小。因此，选择性发射体在大气窗口外具有更强的冷却能力。
本研究通过设计具有多层膜结构的选择性发射涂层，克服了传统单波段伪装技术的局限性，成功地实现了三波段红外伪装和可见光视觉伪装。同时通过调整ZnSe层的厚度可以适应不同的背景颜色，从而实现了在多种环境下的视觉伪装。显著增强了伪装效果。柔性结构的设计也拓宽了其应用场景，提供了满足各种环境和条件下伪装需求的能力。本研究通过简单的结构设计实现物体表面多波段、超长波电磁协调和热信息处理的探索。
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