编辑推荐：
多光谱伪装与动态热管理优化：基于VO?相变的多层薄膜结构设计通过七层非光刻薄膜（Cr/ZnS/VO?/Ge/MgF?/Ge/ZnSe）实现可见伪装、激光隐蔽和红外抑制，利用FDTD优化VO?相变温度下的光谱响应， MWIR/LWIR低发射率（0.23/0.17）抑制热辐射，NAW高发射率（0.75）增强散热，ZnSe厚度调制备合伪装与热管理。
Kaihua Zhang|Xiao Chen|Zhiying Chen|Yao Hong|Xiaohu Wu
河南师范大学光电工程学院红外光谱测量与应用重点实验室，中国新乡453007
摘要
随着多波段红外检测技术的快速发展，传统的静态伪装难以在可见光、激光和红外波段实现协调的隐蔽性和热管理。为了克服单波段调节的局限性和昂贵的光刻成本，本研究提出了一种无需光刻的七层薄膜结构（Cr/ZnS/VO2/Ge/MgF2/Ge/ZnSe），并通过时域有限差分（FDTD）方法进行了优化。利用VO2在68°C附近的金属-绝缘体转变（MIT）特性，该结构能够实现动态发射率控制：在绝缘状态下，中波红外（MWIR，3–5 μm）的平均发射率降至0.233，长波红外（LWIR，8–14 μm）的发射率降至0.172，从而抑制红外特征；在金属状态下，非大气窗口（NAW，5–8 μm）的发射率升至0.754，以实现高效辐射冷却。通过调节顶层的ZnSe厚度，可以在保持关键激光波长（1.06、1.55、10.6 μm）低反射率的同时实现可见光多色伪装。该设计在60°入射角度下依然稳定，并在宽温度范围内表现出有效的热管理能力，显著减少了目标与背景之间的温差。这种易于制造且无需光刻的结构为多光谱伪装和自适应热调节提供了可扩展且实用的解决方案。
引言
任何高于绝对零度的物体都会因热运动而发出电磁辐射。在现代军事环境中，目标自身的热辐射已成为揭示其状态和位置的关键信号[1]、[2]。随着红外检测技术，特别是多波段检测能力的不断进步，战场目标的隐蔽性面临着越来越严峻的挑战。因此，如何将热伪装与其他波段（如可见光和激光）的隐身措施有效结合，已成为多波段兼容隐身研究的关键课题[3]、[4]、[5]。
红外隐身旨在降低目标与其背景之间的辐射对比度，从而降低被探测到的概率[6]。根据斯特凡-玻尔兹曼定律，红外辐射的强度取决于表面发射率和温度。因此，调节表面发射率和控制温度成为红外隐身的两大核心技术。值得注意的是，MWIR和LWIR既是高效辐射冷却的有效通道，也是红外检测的主要频段[7]、[8]、[9]。为了同时满足隐身性能和散热效率的双重需求，理想材料应具备选择性辐射特性：在大气窗口频段内，其发射率需保持在较低水平以抑制红外探测信号；在NAW频段内，必须保持高发射率以有效散热[10]、[11]。这种选择性发射率控制策略已成为实现高效红外隐身的核心方法[12]、[13]。与基于VO2的结构不同，后者主要用于白天的辐射冷却和夜间的加热，以调节环境温度，本研究关注的是面向隐身的发射率控制，即在抑制可探测辐射的同时保持散热能力。
通过精确设计和调控材料的微纳结构，研究人员可以精确调节材料的热辐射特性，为多波段伪装提供了多种潜在途径[14]、[15]。目前的典型结构包括超表面[16]、[17]、[18]、多层薄膜[19]、[20]、[21]、碳基复合材料[22]、[23]、[24]以及纳米颗粒[25]、[26]。Zhou等人提出了一种选择性发射的皱褶表面，结合了多层薄膜结构和随机散射表面，实现了可见光-红外兼容的伪装，并提供了高效的太阳/辐射热管理。在特定条件下，与参考样品相比，该表面可将温度降低14.1°C至21.8°C[21]。Liu等人[25]发现，由Ti纳米颗粒组成的复合涂层在可见光波段的吸收率高达91.4%，而在LWIR波段的发射率低至0.19%。然而，基于静态结构的传统伪装技术具有固定的辐射特性，无法适应战场动态变化的热环境。这种固有的刚性与作战任务的发展需求存在根本矛盾。因此，开发能够实时调节红外辐射特性的动态伪装技术变得至关重要。
在动态控制方法中，热驱动相变材料（PCMs）因具有可逆的光学调制和被动操作特性而在红外伪装方面具有特别的前景[27]、[28]、[29]。最具代表性的PCM——二氧化钒（VO2），在68°C附近表现出可逆的金属-绝缘体转变（MIT），从而在无需持续能量输入的情况下实现可切换的红外发射[30]。
因此，VO2在集成红外隐身和热管理方面受到了越来越多的关注。最近的研究提出了各种基于VO2的多层或Fabry–Pérot结构；例如，Jin等人[31]展示了磁极化子辅助的红外发射切换，Kim等人[32]开发了用于增强热调节的Fabry–Pérot发射器。Li等人[33]使用基于VO2的光学调节器实现了动态颜色-热多光谱伪装，而Yang等人[34]制备了能够实现可见光-红外兼容伪装的多层薄膜。此外，Chen和Wang[35]设计了一种双波段VO2超材料发射器，通过热驱动的发射率切换实现红外自适应伪装。尽管这些研究在相变光子系统方面取得了显著进展，但它们通常依赖于光刻纳米结构或仅关注有限的光谱范围，这增加了制造的复杂性并阻碍了多光谱集成。例如，[36]介绍了基于VO2和In3SbTe2的激光自适应超材料，结合了宽带VIS–IR伪装和LiDAR保护以及非大气窗口的可调发射；[37]提出了一种简化的Fabry–Pérot超装置，实现了VIS、NIR和MIR波段的独立控制。这些发展凸显了相变辅助光子系统的巨大潜力。相比之下，本研究专注于一种无需光刻的平面VO2多层结构，旨在在可扩展的架构中集成宽带发射率调节、可见光颜色调节和激光波段隐身。
具体而言，我们提出了一种Cr/ZnS/VO2/Ge/MgF2/Ge/ZnSe配置，该配置在可见光范围内实现多色适应性，在1.06、1.55和10.6 μm波长实现激光隐身，并通过VO2的相变实现动态发射率调节（0.23–0.75）。采用时域有限差分（FDTD）方法对光学参数进行建模和优化，系统分析了其在MIT过程中的MWIR、LWIR和非大气窗口（NAW）波段的发射率行为，以及ZnSe层对可见光和近红外响应的影响。通过在无需光刻的结构中统一可见光伪装、激光隐身、红外抑制和自适应热调节，本研究为下一代多光谱伪装和智能热管理提供了一种无需光刻、可扩展且易于制造的解决方案。
结果与讨论
基于多层膜结构中的光学调制原理，材料选择和膜配置对其光谱特性有重要影响。选择合适的材料并设计独特的周期性结构对其光学性能有显著影响。为满足伪装需求，我们采用了一种策略，将亚波长光子薄膜与损耗性介电材料结合，精心设计光谱特性以实现伪装
结论
总之，我们开发了一种无需光刻的多层薄膜结构（Cr/ZnS/VO2/Ge/MgF2/Ge/ZnSe），在一个平台上实现了可见光伪装、激光隐身、红外隐蔽和可切换的热管理。通过基于FDTD的优化，该结构通过调节ZnSe厚度实现了动态可见光颜色适应，在关键激光波长（1.06、1.55和10.6 μm）保持低反射率，并在MWIR和LWIR大气窗口提供了低发射率
CRediT作者贡献声明
Kaihua Zhang：监督、资金获取。Xiao Chen：撰写——初稿、数据整理。Zhiying Chen：撰写——审稿与编辑。Yao Hong：资源提供。Xiaohu Wu：监督、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了河南省科学技术研究与发展计划（编号225200810077）的支持。
