微纳光子结构在兼容性伪装技术上的应用

红外伪装技术是指隐藏或改变目标红外辐射特征的技术，对于提高目标的生存率具有重大意义。多波段探测技术的发展，给传统的红外伪装技术带来了严峻的挑战，使得多波段兼容红外伪装材料的研究变得十分紧迫。

据麦姆斯咨询报道，近期，浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室和光电科学与工程学院和西湖大学工学院的科研团队在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“多波段兼容红外伪装技术研究进展”为主题的文章。该文章第一作者兼通讯作者为李强。

本文首先须厘清各波段的伪装要求，其次应合理利用各波段材料电磁响应的不同和结构尺寸的差异，设计分层次结构以满足不同波段的光谱要求。最后，应认识到现有研究存在的不足，向着适应更多探测波段、应用场景，制备工艺更简便、成本更低、应用性更优的方向发展。

兼容性伪装原理

为应对多波段探测设备的威胁，目标物须兼顾其他探测波段的伪装要求。（1）在可见波段，目标可采用低反射率（高吸收率或透明）表面或者与背景色相似的迷彩表面（图1）；（2）在近红外波段，目标须考虑减少对日光、月光等自然光源或激光等人造光源的反射信号（图1）；（3）在微波波段，目标须通过吸收或散射等手段减少回波信号，减小目标物的雷达散射截面。

图1 太阳辐射与黑体辐射（100~400℃）光谱辐照度及大气透射率光谱

兼容性伪装技术

兼容性伪装技术要求目标物对两个或多个波段的探测设备具有良好的伪装效果，其实现思路一般为：（1）利用伪装材料自身在不同波段的电磁相应特性，满足各波段的伪装要求；（2）将针对不同波段的伪装材料在空间上叠加起来，使得得到的复合结构能够满足各波段的伪装要求。值得注意的是，使用叠加方法实现兼容性伪装，要求上层材料对下层伪装波段透明，以保障下层材料的伪装效果。

下文将从热红外波段与可见、微波、近红外波段的兼容性伪装技术研究进展出发，介绍微纳光子结构在兼容性伪装技术上的应用，对比、评述基于不同材料与结构的兼容性伪装技术的优势与不足。

热红外-可见兼容性伪装技术

兼容可见波段伪装的热红外伪装技术要求在保障热红外波段低发射率的同时，在可见波段有较低的反射率（高吸收率或透明）或与背景相似的色彩特征，以提高其在肉眼和可见探测设备下的隐蔽性。

热红外波段的低发射率可通过金属微纳结构或介质增反膜实现。其中金属微纳结构主要利用金属材料在热红外波段的高反射特性，介质增反膜一般为设计波长在热红外探测波段（3~5 μm和8~14 μm）的一维光子晶体。但是由于金属材料和介质膜堆中的高折射率红外透明材料（如Si、Ge等）在可见波段也有着较高的反射率，因此需要在结构顶部增加一层可见调控层，以实现可见波段内的迷彩或减反效果。

在结构顶部增加可见调控层，利用其干涉效应产生结构色，可实现覆盖一定色域的迷彩色。Qi等人利用Ge/ZnS准周期性光子晶体实现了8~14 μm内的低发射率（约0.1），并通过调节顶部ZnS层的厚度实现对可见色彩的控制（图2(a)）。特别地，在昏暗的背景中（如夜间、高空），需要尽可能地降低目标的反射率，使其表面呈现与背景相近的黑色或深灰色。这要求伪装材料表面要具备可见波段的低反射特性。

与一维光子晶体结构相比，金属微纳结构具有更少的膜层数量与更薄的总厚度。然而，金属微纳结构的制备依赖于光刻等图形转移技术，结构性能对加工参数敏感，大面积制备难度较高。另一种实现可见兼容性伪装的技术是采用可见透明的热红外伪装材料，可应用于载具的观察窗等对可见透过率有特殊要求的场合。

图2 热红外-可见兼容性伪装技术

可见波段的伪装，应充分考虑背景的特征。迷彩色的可见伪装技术适用于地面背景，而低反射率的可见伪装技术更适合于天空背景。采用可见透明材料的热红外-可见兼容性伪装技术具有更强的适用性，既可用于观察窗等特殊的应用情景，也可贴于传统的迷彩伪装材料表面，适应各类背景。但是可见透明材料的制备工艺更为复杂，成本相对也更高。

热红外-微波兼容性伪装技术

兼容微波波段伪装的热红外伪装技术要求在保障热红外波段低发射率的同时，对雷达波有较弱的回波信号，以减小其雷达散射截面，可以通过对雷达波的吸收或将雷达信号散射到其他方向实现。

前述的全电介质一维光子晶体在微波波段有着很高的透过率，可在其下方设置微波吸收结构或材料实现对雷达波的吸收。金属材料在微波波段有着很高的反射率，低红外发射率的金属微纳结构会带来较强的雷达回波信号。为解决这一问题，可利用红外与微波间的波长差异，将连续的金属层分割为与微波波长尺寸相近的岛状结构。这样，在构成微波波段的频率选择性表面的同时，金属岛的尺寸相比红外波长足够大，仍能保持红外的低发射率特性。

Wen等人设计了由周期性金属片构成的红外屏蔽层，可使得微波透过，并被下方的雷达吸收层吸收。该结构在8.1~19.3 GHz波段的吸收率大于90%，其红外发射率由金属片的发射率与占空比决定（图3(a)）。在此之上，将红外屏蔽层和微波频率选择性吸收器中的金属材料更换为透明导电氧化物可以实现可见透明、红外低发射率、微波波段高吸收的伪装材料（图3(b)）。Kim等人将红外选择性辐射器与微波频率选择性吸收器相结合（图3(c)），在实现红外3~5 μm和8~14 μm内低发射和5~8 μm辐射散热的同时，实现了8~12 GHz波段的高吸收（>90%）。进一步地，通过优化微波吸收器结构，可将微波吸收波段拓展至2-12 GHz。

除了利用微波吸收器吸收入射的雷达波外，将雷达波散射到其他方向上也可以有效降低回波信号。微波散射技术以散射的形式降低回波信号，有效避免了由于吸收微波而增加的热负载，对于目标物的热管理有着积极意义。但是由于散射式编码超表面的构建需要相邻单元间存在π的反射相位差，这使得其微波隐身带宽受到了限制。与之相对的，微波吸收器可通过增加金属（导电材料）谐振结构的层数，拓宽其吸收波段，实现超宽带的微波隐身（代价是厚度、重量和制备难度的增加）。

图3 热红外-微波兼容性伪装技术

热红外-近红外兼容性伪装技术

与热红外波段不同，近红外波段的热辐射信号相对较弱，反射的外部光源信号往往占据主导地位。常见的近红外信号来源有：（1）太阳辐射：太阳辐射在近红外波段有着较强的辐照度，是最重要的自然光源；（2）夜光：主要包括月光、星光、大气辉光等，其辐照强度虽远弱于太阳辐射，但在微光夜视仪等像增强设备的辅助下，仍会暴露目标物的信息；（3）红外探照灯等人造光源；（4）激光雷达。实现近红外兼容隐身，须尽量减少其反射信号，如采取近红外波段高吸收的表面或散射表面。

除提高近红外吸收率外，将入射激光散射/漫反射到其他方向的伪装技术也能有效降低激光雷达回波信号。例如，将编码超表面引入近红外波段，设计将近红外入射激光散射到其他方向的编码超表面可有效降低激光镜面反射信号。

利用粗糙表面的漫反射效应亦可降低对红外主动探测的镜面反射信号。Huang 等人将Al薄膜沉积在砂纸上，再转移至柔性PI 衬底上，可获得具有朗伯辐射特征的粗糙表面（图4(d)）。其在近红外波段内的镜面反射率接近0，且在热红外波段兼具低发射率（约0.1）和低镜面反射率（约0.05）的特性，对红外主被动探测均可进行伪装。

基于近红外吸收的伪装技术可大大减少目标的反射信号。然而，其对外部光源（如太阳辐射、激光）的吸收，将增大目标的热负载，并对材料自身的热稳定性和激光损伤阈值产生更高的要求。基于近红外编码超表面的伪装技术避免了吸收带来的热效应，但是其散射带宽受限，并依赖于光刻技术，难以大面积制备。粗糙表面的制备方法简单、成本低，且能实现由近红外至热红外波段的超宽带漫反射，但是其光谱可调控性有限，难以进一步地与光谱选择性发射器等伪装技术结合起来。

图4 热红外-近红外兼容性伪装技术

多波段兼容性伪装技术

随着多波段探测技术的发展，目标物须应对两种波段以上的探测器的威胁。因此发展多波段兼容的伪装技术也就显得尤为重要。

实现多波段兼容伪装，一个重要的思路是利用各探测波段的波长差异，设计分层次的结构，从而满足各个探测波段不同的伪装需求。Zhu等人将可见色彩调控层、近红外-热红外光子晶体和微波频率选择性吸收器集成，设计了兼容可见迷彩、热红外探测波段（3~5 μm和8~14 μm）低发射率、1.55 μm和10.6 μm激光高吸收、8~12 GHz雷达波高吸收的伪装材料（图5(a)）利用材料本身在不同波段的不同响应特性可以减少分层次结构的层数。

第一种思路在设计阶段将各波段伪装器件分解开来独立设计，有助于简化设计难度，但是最后组装得到的多波段伪装器件结构较为复杂，集成度较低。后一种思路在设计阶段就考虑了材料在不同波段的电磁响应特性，有利于提高器件的集成度，但是设计难度更大，难以兼顾较宽的波段范围。

图5 多波段兼容性伪装技术

总结与展望

随着先进的多波段探测技术的发展，厘清各探测波段的信号来源、伪装要求，并设计兼容性的伪装材料是当下伪装技术研究的重要方向。不同于传统的针对单一波段的伪装材料，多波段兼容的伪装材料需要综合考虑材料和结构在不同波段的电磁响应，并加以合理利用。利用各探测波段的波长差异，设计分层次的结构将满足不同波段伪装要求的结构复合起来是实现多波段兼容性伪装的重要思路。针对多波段伪装的需求，研究人员已提出多种解决方案，但未来多波段兼容性伪装材料走向实际应用，还需解决以下问题：

（1）各细分波段的伪装问题。前面对各探测波段采用的是一种较粗略的划分方式，实际上，各个细分波段对伪装要求仍可能存在差异。这要求光子结构对光谱进行精细化的调控，以满足各细分波段的光谱要求。机器学习能大大提升兼容性伪装材料的设计和制备效率，促进更加适应多元化的应用环境的伪装技术的发展。使用大量的微纳结构及其光谱数据对神经网络等机器学习模型进行训练，得到的模型可以快速地对光子结构的光谱特性进行预测，并可被用来根据光谱要求进行光子结构的逆向设计。

（2）材料和结构的大规模制备问题。目前很多基于微纳结构的多波段兼容性伪装材料依赖于光刻等微纳加工技术，使得其进一步推向大规模、低成本的应用仍存在限制。纳米压印技术有望实现高通量的微纳结构加工。卷对板、卷对卷等滚轴式的纳米压印技术可以实现连续性的微纳加工，用于制备大面积的兼容性伪装器件。

（3）材料和结构的应用性问题。多波段兼容性材料在推向实际应用时，还需考虑材料的耐高温、耐腐蚀、结合力、质量、尺寸等应用性问题。使用耐高温的绝热材料，如气凝胶、石英纤维等可以大大减少伪装材料的表面温度，提升其热稳定性。同时，对于高温目标而言，将红外伪装材料与绝热材料相结合，在减少伪装材料热负载的同时可使其具有更低的红外辐射信号。

（4）动态调控问题。在实际应用中，由于地形、季节、天气、时间等条件的变化，可能带来目标背景的变化。为提高目标在复杂多变背景下的生存能力，对伪装材料进行动态调控，使其能对背景进行自适应就显得很重要。利用石墨烯、碳纳米管等电致变发射率材料或者氧化钒、锗锑碲等热致变发射率材料，可设计动态可调的伪装材料，根据背景的变化主动或自适应地调整其红外辐射特征。

审核编辑：黄飞