隨著紅外探測技術(shù)手段的光學(xué)多樣化發(fā)展，紅外隱身技術(shù)的微納需求日益迫切。由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)技術(shù)進展紅外隱身技術(shù)面臨著多途徑目標(biāo)探測和多功能兼容的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此研究光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)有著十分重要的紅外意義。基于局域共振機制的隱身研究亞波長尺度的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)，極大地豐富了人們對光的綜述傳輸行為的調(diào)控。在紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域，光學(xué)光學(xué)微納結(jié)構(gòu)可以針對紅外輻射特性進行材料和結(jié)構(gòu)的微納精細(xì)化設(shè)計，從而滿足理想紅外隱身發(fā)射光譜的結(jié)構(gòu)技術(shù)進展需求，為發(fā)展更加多光譜、紅外多功能、隱身研究自適應(yīng)的綜述紅外隱身技術(shù)提供全新的解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，光學(xué)國防科技大學(xué)理學(xué)院的微納科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)研究進展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為姜鑫鵬，結(jié)構(gòu)技術(shù)進展主要從事超材料吸收體、選擇性發(fā)射體、紅外隱身方面的研究工作。通訊作者為楊俊波研究員，主要從事微納光學(xué)、硅基光電子學(xué)方面的研究工作。

本文圍繞紅外隱身技術(shù)的相關(guān)研究，首先介紹了多層薄膜吸收體、金屬表面等離子激元、基于相變材料薄膜可調(diào)吸收體、智能化設(shè)計光學(xué)微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光譜響應(yīng)的基本原理，在此基礎(chǔ)上，重點回顧了近年來基于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的紅外隱身技術(shù)新特點，包括多光譜紅外隱身技術(shù)、多功能紅外隱身技術(shù)、自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，梳理了光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)所存在的不足及面臨的困難并對未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。

圖1 光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)示意圖

光學(xué)微納結(jié)構(gòu)吸收機制

多層薄膜光學(xué)吸收的實現(xiàn)

如圖2所示，首先考慮單色光入射到一種介質(zhì)和金屬的簡單兩層薄膜結(jié)構(gòu)，金屬的厚度延入射方向無限延伸，光場參量可以由傳輸矩陣給出。

圖2 介質(zhì)-金屬薄膜微腔示意圖

有趣的是，當(dāng)介質(zhì)厚度介于兩種特征厚度之間時，整個薄膜微腔的吸收率也會隨之發(fā)生改變，進而有望通過薄膜厚度實現(xiàn)對于吸收特性的調(diào)控。對于兩層以上的多層薄膜光場參量可以在兩層薄膜的基礎(chǔ)上進行迭代計算，進而求得多層膜的光場參量。以四分之一光程差薄膜為代表的的多層光學(xué)膜計算是簡單的。對于離散厚度和不透明的多層光學(xué)膜，其原理上依然遵從傳輸矩陣方程，而計算則會變得復(fù)雜，這在一定程度上豐富多層光學(xué)膜實現(xiàn)吸收的樣式。

光學(xué)超材料的表面等離激元特性

當(dāng)光照射到金屬表面時，在金屬表面會產(chǎn)生電磁表面波，這就是金屬的表面等離激元特性。在此，構(gòu)建一個簡單的金屬與介質(zhì)的交界面模型，對金屬表面等離激元的產(chǎn)生機理進行分析。

如圖3所示，金屬與介質(zhì)的介電常數(shù)分別為?1和?2。其中，β=kx表示的是沿x方向的傳播常數(shù)。在該模型中，材料具有金屬特性的條件是Re（?1）<0，而對于金屬材料來說，當(dāng)電磁波頻率小于等離子體頻率ωp的時候，該條件都是滿足的。因此，表面等離激元的模式，對應(yīng)著沿x傳播且在z方向快速衰減的電磁波的波動方程的解。

圖3 介質(zhì)和金屬交界面表面等離激元波示意圖

相變材料可調(diào)吸收機理

相變材料在外部激勵下能夠改變其晶格結(jié)構(gòu)進而帶來不同相態(tài)之間較大的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)差異。如圖4（a）所示，以相變材料鍺銻碲合金（GST）為例介紹相變材料的光學(xué)特性。其中紅外光學(xué)特性表現(xiàn)為由非晶態(tài)的無（低）損介質(zhì)向晶態(tài)的高損耗介質(zhì)轉(zhuǎn)變。如圖4（b）所示，在實驗上驗證了GST-金組成的薄膜吸收體中，通過改變相變材料薄膜厚度，可以實現(xiàn)諧振波長的調(diào)控。

通過柵極電壓、加熱、光能注入等方法可以實現(xiàn)相變材料在晶態(tài)（c-GST）和非晶態(tài)（a-GST）之間的連續(xù)可逆調(diào)控。這種調(diào)控的中間過程可以用Maxwell-Garnett，Bruggeman等多種等效介質(zhì)方法來理論分析。隨著相變材料由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)紅外輻射特性的連續(xù)調(diào)控，這已成為實現(xiàn)自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)的潛在方案之一。

圖4 （a）晶態(tài)與非晶態(tài)相變材料GST的中紅外介電常數(shù)；（b）隨GST厚度變化，薄膜微腔的實驗吸收光譜

微納光學(xué)吸收體智能設(shè)計方法

如圖5（a）所示，在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，大多數(shù)研究都是通過先驗的方法獲得初始結(jié)構(gòu)，包括但不限于圖案結(jié)構(gòu)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、多層結(jié)構(gòu)、臺階形結(jié)構(gòu)。通過手動選擇初始結(jié)構(gòu)，來研究一些光學(xué)諧振的基本原理。這種傳統(tǒng)設(shè)計過程也被稱為正向設(shè)計，初始結(jié)構(gòu)可以被視為自變量，而光譜特性被視為由于結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的因變量。在正向設(shè)計的理論分析過程中，往往會給出耦合模式理論（CMT）、傳輸線理論、散射體模型等理論分析，以簡化麥克斯韋方程組的求解。

圖5 （a）正向設(shè)計示意圖；（b）反向設(shè)計示意圖

如圖5（b）所示，反向設(shè)計旨在通過對樣本群的光譜特性進行分析，從而挑選出其中更加符合目標(biāo)函數(shù)的光譜，然后導(dǎo)出所對應(yīng)樣本特征。這種設(shè)計方法相比于正向設(shè)計，在設(shè)計功能性器件過程中展現(xiàn)出更為強大的效能。由于洛倫茲互易性，場源的作用是可以互換的，這種反向設(shè)計對于解決復(fù)雜的多模場耦合優(yōu)化問題和多體散射優(yōu)化問題是可行的。在此過程中，簡化手動參數(shù)掃描和樣本篩選的算法有二進制直接搜尋算法、遺傳算法、粒子群算法、梯度下降優(yōu)化等。

相比于傳統(tǒng)設(shè)計（正向設(shè)計）和最優(yōu)解優(yōu)化的反向設(shè)計，以機器學(xué)習(xí)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動智能化算法設(shè)計正在迅速發(fā)展，并對微納光器件產(chǎn)生深刻變革。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為機器學(xué)習(xí)最有競爭力的分支之一，也可以從正向設(shè)計和反向設(shè)計兩種方式來革新現(xiàn)有的吸收體（發(fā)射體）設(shè)計。如圖6所示，簡要介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多層光學(xué)薄膜吸收體智能化設(shè)計的基本原理。第一種方式運用訓(xùn)練集樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，簡化了麥克斯韋方程組的求解，解決了傳統(tǒng)電磁仿真費時耗力的問題；第二種方式則類比于反向設(shè)計，通過大量數(shù)據(jù)樣本的啟發(fā)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將電磁響應(yīng)（光譜曲線）作為輸入并直接輸出結(jié)構(gòu)。智能設(shè)計方法為進一步提高微納結(jié)構(gòu)光器件性能和探索光與物質(zhì)相互作用提供了全新的途徑。

圖6 智能化算法驅(qū)動的正向/反向設(shè)計流程示意圖

微納結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

多光譜紅外隱身技術(shù)

隨著探測技術(shù)的多樣化發(fā)展，僅僅縮減或控制紅外輻射能量的紅外隱身技術(shù)已不著見效。現(xiàn)如今紅外探測手段主要包括對于紅外目標(biāo)的紅外輻射探測和紅外激光雷達探測。輻射探測主要通過接收紅外目標(biāo)本身的輻射能量從而感知目標(biāo)的信息。激光雷達的工作原理則與微波雷達類似，通過發(fā)射紅外光探測回波實現(xiàn)對于目標(biāo)的成像。在紅外隱身光譜需求上，應(yīng)對輻射探測和激光雷達的方法存在很大差異。隨著甚長波紅外探測器的發(fā)展，可探測的紅外窗口也在進一步擴展。因而，理想紅外隱身發(fā)射率模型也隨之與時俱進。在此，結(jié)合已有紅外隱身的光譜需求研究，提出了更具廣泛性的紅外光隱身光譜模型，如圖7（a）所示。該理想光譜模型包括以下幾方面的考慮：（1）3~5、8~14、17~25 μm三個中紅外大氣窗口波段的低發(fā)射率以實現(xiàn)熱信息的偽裝；（2）5~8 μm和14~17 μm的雙波段非窗口波段高輻射率以實現(xiàn)輻射散熱；（3）1.06、1.55、10.6 μm三波段的高吸收率以實現(xiàn)紅外激光隱身。

圖7 （a）紅外帶內(nèi)兼容隱身理想發(fā)射光譜模型；（b）兼顧可見、紅外、微波的多波段兼容隱身理想發(fā)射光譜模型

對于多波段兼容問題，旨在要求隱身技術(shù)考慮可見、紅外、微波等多個光譜區(qū)域，進而避免在某一光譜范圍內(nèi)的“短板效應(yīng)”。如圖7（b）所示，朱桓正等給出了多光譜兼容隱身技術(shù)的幾點考慮：（1）基于人眼和硅探測器的可見光，如圖7（b）中彩色虛線框，波長范圍為380~780 nm；（2）常見激光雷達波長位置，如圖7（b）中紫色箭頭，波長分別為1.55 μm和10.6 μm；（3）兩個中紅外大氣窗口，如圖7（b）中藍(lán)色虛線框，波長范圍分別為3~5 μm和8~14 μm；（4）常用于火控系統(tǒng)的微波X波段，如圖7（b）中紫色虛線框，頻率范圍8~12 GHz，對應(yīng)波長范圍2.5~3.8 cm。此外，該多光譜紅外隱身技術(shù)還建立了光譜輻射散熱通道，如圖7（b）中橙色虛線框，將非紅外大氣窗口的輻射散熱也綜合考量。

如圖8所示，總結(jié)了近年來光學(xué)微納結(jié)構(gòu)在多光譜紅外隱身領(lǐng)域的研究進展。2017年，Zhang等設(shè)計并制備了一種一維光子晶體實現(xiàn)了紅外、激光、雷達的兼容隱身。圖8（a）利用Ge/ZnSe/Si摻雜材料堆疊而成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了10.6 μm激光隱身和長波紅外窗口熱隱身。此外，通過引入微波吸收襯底，所提出的一維光子晶體摻雜結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)微波隱身的功能。2019年，Kim和Lee等提出了一種分層超材料方法用以實現(xiàn)多光譜隱身技術(shù)的方法。由于控制紅外光波和微波的兩種結(jié)構(gòu)的尺寸差異，分層超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以實現(xiàn)帶寬間的“分而治之”，進而滿足多波段兼容的隱身技術(shù)需求。如圖8（b）所示，上層設(shè)計為一種亞波長光柵陣列實現(xiàn)紅外波長選擇性發(fā)射，而下層則構(gòu)建一種表面等離激元金屬超材料實現(xiàn)對微波波段的有效吸收。這種分層超材料構(gòu)型，在實現(xiàn)紅外隱身和微波隱身的同時實現(xiàn)了非窗口高紅外輻射率進而實現(xiàn)了輻射熱管理。雙波中紅外透明窗口的平均發(fā)射率均低于0.2，非窗口區(qū)域的峰值發(fā)射率高達0.92。

圖8 （a）基于多層薄膜結(jié)構(gòu)紅外隱身技術(shù)；（b）基于分層超材料的多光譜兼容隱身技術(shù)；（c）基于分層超材料的紅外、微波、激光雷達隱身技術(shù)；（d）兼容可見光、紅外、微波、激光隱身的多光譜隱身技術(shù)；（e）基于靈活組裝的紅外和微波兼容隱身技術(shù)；（f）基于金屬-半導(dǎo)體-金屬超材料的可見和紅外隱身技術(shù)

2020年，借鑒分層超材料的設(shè)計方法，F(xiàn)eng等設(shè)計了一種兼容激光、紅外、雷達隱身的分層超材料。如圖8（c）所示，所提出的分層超材料構(gòu)型在實現(xiàn)紅外隱身和微波隱身的同時，利用亞波長光柵增強了對于近紅外1.06 μm激光波段的吸收，從而降低了近紅外激光引導(dǎo)探測器的引導(dǎo)信號。2021年，朱桓正等提出了一種多光譜隱身超材料用以滿足紅外、激光、微波等多種隱身需求。如圖8（d）所示，通過整合Ge/ZnS兩種高低折射率材料堆疊的一維布拉格光柵結(jié)構(gòu)和電磁超材料吸收體，實現(xiàn)了紅外隱身技術(shù)帶內(nèi)兼容和多光譜隱身兼容，涵蓋的隱身功能包括1.55 μm和10.6 μm的紅外激光隱身，雙波紅外透明窗口的熱隱身（ε3-5 μm=0.11、ε8-14 μm=0.12）以及8~12 GHz波段的微波隱身（>0.9）。此外，通過結(jié)合遺傳算法，經(jīng)過優(yōu)化的一維光子晶體多層膜在具有極高隱身性能的同時兼顧了輻射熱管理的需要，在非窗口區(qū)域的平均輻射率為0.61。2022年，Lee等在分層超材料概念的基礎(chǔ)上，進一步提升了微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的隱身性能。如圖8（e）所示，通過組裝柔性紅外發(fā)射器和柔性微波吸收器，紅外與微波隱身性能得到了進一步的優(yōu)化，使其在性能上達到了一些商用隱身材料的指標(biāo)。同年，Kim等引入了具有法布里-珀羅（F-P）和多種等離子體共振模式的金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）超表面來實現(xiàn)多光譜紅外隱身技術(shù)。如圖8（f）所示，利用Ge層和Al光柵結(jié)構(gòu)中的局部表面等離子體模式實現(xiàn)可見光結(jié)構(gòu)色從而表征出迷彩圖案。Ge層的F-P共振在1.06 μm處引起>92%的強吸收，從而降低了紅外激光引導(dǎo)探測器的引導(dǎo)信號。此外，該MSM超表面還具備一定的短波、中波和長波紅外波段的紅外隱身性能。

2023年，結(jié)合分層超材料和反向設(shè)計方法，筆者所在的研究團隊設(shè)計制備了一種多層薄膜結(jié)構(gòu)從而滿足了大部分紅外隱身技術(shù)帶內(nèi)兼容需求。通過反向設(shè)計方法，以特定應(yīng)用目標(biāo)為牽引，以基本光學(xué)特性（原理）為基礎(chǔ)，探索更為廣泛的材料（薄膜）體系，找尋符合中紅外隱身應(yīng)用的多層膜系設(shè)計，從而實現(xiàn)多層薄膜結(jié)構(gòu)與理想中紅外隱身光譜點對點地高效設(shè)計。把分層超材料概念與薄膜的光學(xué)色散結(jié)合，利用薄膜厚度變化在不同波長下帶來光學(xué)相位的巨大差異，實現(xiàn)近紅外激光隱身與中紅外波長選擇性發(fā)射體的光譜兼容。該器件具備的功能包括中紅外熱隱身（ε3-5 μm=0.21、ε8-14 μm=0.16）、1.06 μm/1.55 μm/10.6 μm多波段紅外激光隱身（ε1.06 μm=0.64、ε1.55 μm=0.90、ε10.6 μm=0.76）以及輻射散熱的熱管理（ε5-8 μm=0.54）等。

多功能紅外隱身技術(shù)

以上關(guān)于多光譜紅外隱身技術(shù)的研究主要集中于解決紅外光譜帶內(nèi)隱身技術(shù)的兼容性問題（近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外）以及應(yīng)對多光譜探測手段多光譜隱身的兼容性問題（可見光、紅外隱身、激光隱身、雷達隱身）。作為紅外輻射調(diào)控的載體，紅外隱身技術(shù)的輻射調(diào)控波長范圍一般覆蓋多個紅外大氣窗口。這些大氣紅外窗口在紅外顯示、輻射管理、光譜探測等方面具有諸多應(yīng)用價值，進而使得紅外隱身技術(shù)有望與輻射熱管理、紅外加密顯示等紅外功能實現(xiàn)兼容。

回顧了近年來紅外隱身技術(shù)兼容了紅外輻射熱管理和紅外加密顯示功能的一些研究進展（見圖9）。在紅外輻射熱管理方面，紅外選擇發(fā)射體通過在不易探測的非大氣紅外窗口區(qū)域的高輻射率，可以實現(xiàn)對于高溫或者較高溫物體的輻射散熱。2017年，劉東青等設(shè)計制備出由保護層Ge、超薄金屬Ag、介質(zhì)層Ge以及金屬層Ag四層膜結(jié)構(gòu)組成的F-P腔選擇性輻射紅外隱身材料。如圖9（a）所示，這種Ag/Ge多層薄膜紅外隱身選擇性發(fā)射器，通過超薄金屬Ag和介質(zhì)層Ge形成了一種非對稱F-P腔結(jié)構(gòu)，通過阻抗匹配產(chǎn)生了非窗口區(qū)域的紅外波長選擇性吸收。這種結(jié)構(gòu)在大氣窗口波段具有較低的發(fā)射率（ε3-5 μm= 0.18、ε8-14 μm= 0.31），而在非大氣窗口具有較高的發(fā)射率（ε5-8 μm= 0.82）。與低輻射率材料相比，選擇性發(fā)射器在真空和實際環(huán)境（T<200>300 ℃）熱輻射管理和紅外隱身技術(shù)兼容的可能。

圖9 （a）基于多層膜的熱隱身兼容熱管理；（b）基于超材料的紅外隱身與熱管理兼容；（c）基于多層膜的高溫多功能紅外隱身技術(shù)；（d）基于MIM的高溫?zé)犭[身與熱管理功能兼容；（e）可見光/紅外信息顯示與隱身技術(shù)；（f）基于GST的紅外加密與隱身兼容；（g）基于二氧化釩的紅外加密與隱身技術(shù)；（h）基于VWO?的紅外顯示與紅外隱身兼容；（i）基于反向設(shè)計可切換的紅外隱身超材料

在紅外加密顯示方面，通過對光學(xué)微納結(jié)構(gòu)紅外輻射特性的操控有望讓器件表征出一些期望的紅外信息或圖像，這些圖像需要一些特定的紅外探測器接收進而保障了信息安全，這將在敵我識別和保密通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。2021年，Xu等中利用納秒和毫秒脈沖激光，實現(xiàn)了可重構(gòu)輻射超表面的調(diào)控。如圖9（e）所示，通過對具有相變材料GST薄層（~25 nm）的凸點超材料紅外發(fā)射率的調(diào)控，平均紅外輻射率的調(diào)控范圍為0.1~0.7。此外，這種方法有望對凸點形超材料獨立調(diào)控，進而在紅外和可見光顯現(xiàn)出不同的圖案，最終實現(xiàn)了多波段信息編碼的目的。同年，Kim提出了一種平行激光束調(diào)制相變材料GST的方法。如圖9（f）所示，這種方法可以在相變材料GST多個厚度層發(fā)生相變，使得GST/Au的微腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)控，其平均長波紅外輻射率可以在0.26~0.8之間進行梯度切換。除了硫系相變材料外，釩的化合物也是潛在的紅外輻射調(diào)控材料。如圖9（g）所示，Xu等通過引入易失相變材料二氧化釩（VO?）的多層薄膜諧振腔實現(xiàn)了對于8~14 μm波段紅外輻射調(diào)制，平均調(diào)制范圍在0.19~0.91之間。結(jié)合激光直寫的方法，多達9級調(diào)控的發(fā)射率連續(xù)調(diào)控得以實現(xiàn)，并繪制了校徽、棋盤格、熊貓等色彩繽紛的紅外圖案。在圖9（h）中受生物模仿和中國水墨畫的圖案演變的啟發(fā)，報道了一種通用和有效的方法來制備基于W摻雜VO?的紅外熱圖像的可重構(gòu)和多層次演變的器件。此外，通過對釩氧化物摻雜金屬元素鎢的方法，可以有效地降低轉(zhuǎn)變溫度，使得該器件在常溫下實現(xiàn)可擦除的熱致紅外變色。

在先前的工作中，兼容熱輻射管理和紅外顯示功能的多功能紅外隱身技術(shù)往往是被分開考慮。實際對于紅外輻射的發(fā)射體來說，通過可調(diào)控的紅外輻射特性，熱輻射管理、紅外顯示、紅外隱身可以在一個器件上同時實現(xiàn)。筆者研究團隊近期利用反向設(shè)計方法實現(xiàn)了多功能紅外隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如圖9（i）所示。該裝置涉及：（1）在雙波段紅外大氣透明窗口具有較低的發(fā)射率進而實現(xiàn)紅外隱身功能；（2）對于非窗口波段（5~8 μm波長范圍內(nèi)）的高發(fā)射率從而實現(xiàn)輻射冷卻進而降低表面溫度；（3）通過調(diào)控相變材料的屬性，實現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)制，進而使得發(fā)射體的輻射波長從非窗口輻射向中波紅外窗口移動。這將使得隱身裝置的兼容功能在輻射熱管理與中波紅外顯示之間的切換，在切換過程中對于長波紅外的隱身性能影響很小。

自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)

隨著偵察手段的進步，傳統(tǒng)的隱身技術(shù)已不像當(dāng)初那樣“得心應(yīng)手”，因為它們大多都是“靜態(tài)隱身”，它在作戰(zhàn)環(huán)境變化過程中極易暴露，一旦被敵偵察系統(tǒng)識破，就可能成為精確制導(dǎo)武器打擊的目標(biāo)。為了能夠面對紛繁復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，使得軍事目標(biāo)的紅外信息融于背景之中，從而讓紅外探測器難以察覺，自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)應(yīng)運而生。自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)是一種能根據(jù)背景、敵方威脅等戰(zhàn)場情況的變化，使被偵測目標(biāo)做出自動、連續(xù)響應(yīng)，并保持良好隱身效果的新型隱身技術(shù)。通過綜合使用材料、控制、傳感等技術(shù)手段，使得被偵測目標(biāo)，特別是動態(tài)目標(biāo)的紅外特征根據(jù)環(huán)境變化進行動態(tài)調(diào)整，從而使目標(biāo)有效融入背景，達到隱身掩護目的。通過引入新型材料設(shè)計出的微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)展現(xiàn)出了突出的紅外輻射調(diào)控能力。這些新材料新結(jié)構(gòu)也是目前自適應(yīng)紅外隱身的研究熱點之一。

按照引入新材料的不同，總結(jié)了近年來基于新材料微納結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)熱偽裝器件，如圖10所示。諸如Ge?Sb?Te?、Ge?Sb?Se?Te?、In?SbTe?等硫系相變材料是潛在的紅外輻射調(diào)控材料。如圖10（a）和（b）通過引入GST的相變薄膜微腔，分別通過加熱和激光直寫的方式實現(xiàn)了對于長波紅外輻射的調(diào)控，其調(diào)控區(qū)間在0.1~0.9之間，展現(xiàn)了相變材料GST應(yīng)用于紅外輻射調(diào)控的廣泛應(yīng)用前景。現(xiàn)如今，液晶作為一種可見光顯示材料已經(jīng)深入到千家萬戶。在圖10（c）中，通過液晶中微晶方向的偏轉(zhuǎn)，理論上可以實現(xiàn)對于紅外輻射特性的調(diào)控。釩的氧化物因為其易失性的相變特點，有望在紅外輻射調(diào)控、智能窗、紅外探測等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。圖10（d）和（e）中引入VO?作為輻射調(diào)控材料，分別設(shè)計了一種具有VO?薄膜結(jié)構(gòu)，使其能夠像變色龍一樣改變“紅外顏色”，進而證明了釩的氧化物在自適應(yīng)熱隱身技術(shù)方面的應(yīng)用前景。如圖10（f）所示，Tang Kechao等利用WVO?材料通過對溫度的調(diào)控，有效地調(diào)整目標(biāo)物體紅外輻射特性，使其發(fā)出與周圍環(huán)境相同的紅外輻射，從而使它們對紅外檢測設(shè)備不可見。石墨烯通過調(diào)控載流子濃度進而影響電導(dǎo)率模型的變化，有望實現(xiàn)紅外輻射特性的調(diào)控。如圖10（g）和（h）所示，Coskun Kocabas教授課題組利用多層石墨烯材料實現(xiàn)了自適應(yīng)熱偽裝的動態(tài)演示。通過電壓的精確調(diào)控，演示了人手、字母圖案等紅外信息/特征從“顯示”到“隱身”的動態(tài)過程。這些石墨烯的研究進展使得其在紅外輻射調(diào)控領(lǐng)域已具備廣泛應(yīng)用的潛力。此外，結(jié)合金屬材料的微納結(jié)構(gòu)，通過金屬超材料構(gòu)型的改變和金屬材料的改性，有望實現(xiàn)紅外輻射的調(diào)控。如圖10（i）通過調(diào)控金光柵間隙大小，使得表面等離激元吸收產(chǎn)生于不同的諧振頻率，進而實現(xiàn)了寬帶或者可調(diào)吸收。該研究從理論上，驗證了金屬超材料應(yīng)用于自適應(yīng)熱隱身以實現(xiàn)偽裝、欺騙和信息傳遞等功能的應(yīng)用前景。如圖10（j）所示，基于納米Pt膜的裝置，劉東青等通過電沉積調(diào)制Ag的方法，實現(xiàn)了自適應(yīng)紅外隱身。隨著Ag電沉積過程的進行，裝置從中紅外波長范圍的高發(fā)射率向低發(fā)射率轉(zhuǎn)變，通過Ag電溶解可以使發(fā)射率反向變化。該裝置通過電溶解和沉積的方法可以實現(xiàn)300次以上的循環(huán)調(diào)制，解決了自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)實際應(yīng)用的難題。

圖10 （a）~（b）通過調(diào)控硫系相變材料的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（c）通過調(diào)控液晶排列方向的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（d）~（f）通過調(diào)控釩的氧化物的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（g）~（h）通過調(diào)控石墨烯的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)；（i）~（j）通過調(diào)節(jié)MIM金屬超材料尺寸和運用金屬電沉積方法實現(xiàn)的自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)

總結(jié)與展望

文中詳細(xì)介紹了薄膜干涉結(jié)構(gòu)、金屬表面等離激元、相變材料實現(xiàn)光吸收的基本原理以及通過智能化算法設(shè)計微納結(jié)構(gòu)吸收體的基本原理。從微納光學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光吸收的基本原理出發(fā)，通過紅外選擇發(fā)射體這一橋梁，回顧了近年來國內(nèi)外研究團隊在紅外隱身技術(shù)上的新進展，這些進展包括應(yīng)對多種紅外探測手段的紅外隱身技術(shù)、兼容可見-紅外-微波的多光譜紅外隱身技術(shù)、調(diào)控紅外輻射特性實現(xiàn)的多功能紅外隱身技術(shù)以及自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)。目前，將光學(xué)微納結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紅外隱身技術(shù)，使得紅外隱身技術(shù)從原有的單光譜單要素向著多光譜多要素發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了應(yīng)對不斷發(fā)展的現(xiàn)代紅外探測技術(shù)，未來的紅外隱身技術(shù)可能聚焦于以下幾個方面的研究。

具備高性能的紅外隱身技術(shù)。針對已有的紅外隱身理想發(fā)射體模型，現(xiàn)有的紅外隱身技術(shù)還不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的匹配。通過智能化算法設(shè)計有望探索更加廣泛的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而更加趨近于理想的紅外隱身模型。針對可見光、紅外、太赫茲、微波的多光譜隱身問題，迫切需要更具均衡性的設(shè)計，從而避免在某一光譜范圍內(nèi)的“短板效應(yīng)”。此外，對于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)在不同波段耦合和解耦的理論和方法，亟需進一步系統(tǒng)性研究和設(shè)計，從而為高性能的紅外隱身以及兼顧紅外隱身的波段兼容隱身提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

紅外隱身技術(shù)有望與熱輻射管理、紅外信息加密、紅外光譜探測等諸多紅外輻射調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)功能兼容。現(xiàn)如今，一些光學(xué)微納結(jié)構(gòu)研究通過精細(xì)化的紅外輻射特性調(diào)控，使得紅外隱身技術(shù)向著多種功能兼容的方向發(fā)展。這些新研究在擴展紅外隱身技術(shù)應(yīng)用的同時有望使得紅外隱身技術(shù)成為一種高集成化光器件平臺，在未來軍事和戰(zhàn)爭領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

紅外隱身微納結(jié)構(gòu)制備的研究，將使得紅外隱身技術(shù)從基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)型。在柔性制備方面，通過將微納結(jié)構(gòu)制備在PET、PI膜、氣凝膠等柔性襯底上，滿足了保形工藝的需要。然而，柔性材料在高溫下的耐受性能仍需進一步研究，以篩選適用于紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域的柔性材料。此外，隨著3D打印、納米壓印、光刻技術(shù)等先進微納結(jié)構(gòu)制備方法的發(fā)展，有望進一步實現(xiàn)紅外隱身微結(jié)構(gòu)的大面積、低成本制造。

具備感知能力的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)。目前如液晶、二維材料、相變材料、釩的氧化物等具有紅外輻射調(diào)控能力的新材料已被廣泛研究。而集感知和隱身于一體的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)方興未艾，這將需要紅外隱身系統(tǒng)從背景中檢測到的紅外信息作為輸入來動態(tài)調(diào)整表面的紅外輻射以進行紅外隱身。這將需要涉及光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等多個領(lǐng)域交叉合作來進一步研究自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)的構(gòu)建。筆者堅信，通過光學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的不懈努力，這樣具備感知能力的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng)必將會在紅外隱身領(lǐng)域嶄露頭角。

這項研究獲得國家自然科學(xué)基金（60907003、61805278、12272407、62275269、62275271）和國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0706005）的資助和支持。

審核編輯：劉清