基于多层超薄膜技术的可见光-红外兼容隐身技术及辐射热管理

《Optics and Lasers in Engineering》：Visible-infrared compatible stealth with radiative thermal management based on a multilayer metafilm

本文提出了一种基于钼的高温稳定多层超表面薄膜，实现了可见光与红外波段的兼容隐身。该结构在可见光（400-760 nm）平均吸收率达0.78，峰值达0.9；红外大气窗口（3-5 μm和8-14 μm）吸收率低至0.2，同时5-8 μm非大气窗口平均发射率达0.76，有效降低热特征。其结构简单且易于制备，为空间目标多光谱隐身技术提供了新方案。

　　随着科技的不断发展和人类太空活动的日益频繁，近地轨道以及更深远的太空区域逐渐演变为具有重大战略价值的新领域。卫星系统作为现代社会的神经中枢，深度融入军事侦察、通信和导航等关键领域。然而，这种依赖性也带来了前所未有的脆弱性。太空环境的高透明度使得轨道上的航天器（如卫星、空间站等）极易被对手跟踪、识别和锁定。因此，对太空隐身技术的需求变得前所未有的迫切。然而，随着各种检测技术的进步和对更高检测精度的要求，多光谱检测技术已广泛采用并达到了成熟的发展阶段。这一进展对空间目标的隐蔽性和生存能力提出了重大挑战。因此，为应对覆盖不同光谱区域的先进探测器的集成，实现空间目标多光谱隐身技术的兼容性成为一项关键任务。然而，这一任务本身具有复杂性，主要源于不同光谱波段所需的隐身机制存在差异。

在可见光隐身方面，主要可以通过伪装涂层实现，这些涂层能够使目标的光学特性与背景环境相匹配，或降低表面的反射率。而在红外隐身方面，核心策略是通过调整目标的红外辐射特征，使其与背景环境在红外系统的检测阈值内相匹配。通常，物体的红外辐射强度高于其周围环境，而根据斯特藩-玻尔兹曼定律，红外辐射强度与发射率和绝对温度的四次方相关。因此，通过降低温度或发射率可以有效抑制热辐射。鉴于在热稳定状态下改变温度的难度，发射率的降低仍然是红外隐身的主要手段。对于其他光谱波段的主动探测系统，高吸收率是减少散射或反射信号的关键。

近年来，多光谱隐身技术已成为应对先进多光谱监控系统的一种有力手段，旨在降低目标的检测概率。然而，能够精确操控电磁波的超材料的发展，为解决这一挑战开辟了新的途径。代表性进展包括：Liu 等人开发了一种可用电控制的红外发射率调节器，实现了高发射率可调性，同时保持了可见光的高透明度。Huang 等人则设计了一种柔性等离激元超表面，结合了多层 Au/Ge/Ti/Ge 薄膜，同时实现了低激光反射率和抑制热辐射。Zhu 等人则研发了一种多光谱伪装装置，结合了 ZnS/Ge 多层结构和 Cu-ITO/Cu 超表面，实现了在可见光、红外、激光和微波波段的兼容隐身，同时在 5–8 μm 的非大气窗口实现了辐射冷却。尽管取得了这些成就，但仍然存在一些关键的局限性，特别是结构复杂性导致的制造困难和高昂的制造成本，这些因素限制了其在实际应用中的可行性。

因此，本文提出了一种具有三层结构的多光谱选择性超薄膜，旨在实现空间目标在可见光和红外波段的兼容隐身，同时实现高效的辐射散热。设计的结构在可见光波段（400–760 nm）表现出较高的平均光谱吸收率，能够有效降低外部光信号的反射，提高隐身效果。同时，在红外大气窗口内表现出较低的吸收率，从而实现低红外发射。在 5–8 μm 的非大气窗口内，该超薄膜展现出较高的平均发射率，有助于增强辐射散热，有效降低目标温度。实验研究表明，该超薄膜在可见光和红外隐身方面表现出优越的性能，同时具备易于制造和机械柔性，能够应用于柔性基底。这种创新结构在空间目标多光谱隐身技术的研究和应用中具有显著潜力，为未来广泛的应用提供了可能。

在结构设计方面，该超薄膜由三层组成：底层为具有高耐高温特性的金属钼（Mo），其厚度超过入射电磁波的皮肤深度，以确保对电磁波的有效操控。中间层为锗（Ge），厚度为 320 nm，能够有效调整电磁波的传播特性。顶层则为另一种材料，厚度为 80 nm，用于进一步优化光谱响应。通过这种多层结构的设计，能够实现对可见光和红外波段的独立调控，从而满足不同波段的隐身需求。此外，该结构的简单性使其在制造过程中更加容易控制，同时具备良好的机械性能，适用于各种复杂的环境。

在实验验证方面，本文采用了一套详细的样品制备和测量流程。首先，使用 1 cm × 1 cm 的硅基底进行精密清洗，以确保样品表面的纯净度。随后，通过磁控溅射（直流溅射）方法在基底上沉积一层 100 nm 厚的钼（Mo）薄膜，沉积速率为 9.1 nm/min。接着，沉积一层 320 nm 厚的锗（Ge）薄膜，沉积速率为 22 nm/min。最后，沉积一层 80 nm 厚的其他材料，以完成多层结构的构建。实验过程中，使用了多种先进的测量技术，包括光谱吸收测量和红外发射率测量，以验证该结构在不同波段的性能表现。

理论计算方面，本文采用了传输矩阵法（TMM）来计算结构的吸收光谱。这是一种基于电磁波传播特性的数值计算方法，广泛应用于多层介质结构的光学特性分析。通过设定结构层数为三层，并输入每层的折射率和厚度参数，结合入射波长范围和入射角度，能够准确预测该结构在可见光和红外波段的吸收特性。此外，该方法还可以用于分析结构在不同波段的反射和发射行为，为结构设计提供理论依据。

本文的研究成果表明，该多光谱选择性超薄膜在可见光和红外波段的隐身性能得到了显著提升。在可见光波段，该结构表现出较高的平均吸收率，能够有效吸收外部光信号，减少反射，提高隐身效果。而在红外大气窗口内，该结构表现出较低的吸收率，从而降低红外发射，提高隐蔽性。同时，在 5–8 μm 的非大气窗口内，该结构展现出较高的平均发射率，有助于增强辐射散热，有效降低目标温度。这些特性使得该结构在多光谱隐身技术中具有显著优势，适用于各种复杂的应用场景。

在实际应用方面，该超薄膜的结构简单性和易于制造的特点，使其在工程化和规模化生产中具有较高的可行性。此外，其良好的机械性能和灵活性，使其能够适应不同形状和尺寸的航天器，适用于多种复杂的环境。因此，该结构在多光谱隐身技术的研究和应用中具有重要的价值，为未来空间目标的隐身和防护提供了新的思路和技术手段。

综上所述，本文提出了一种具有三层结构的多光谱选择性超薄膜，实现了在可见光和红外波段的兼容隐身，同时具备高效的辐射散热能力。该结构在可见光波段表现出较高的平均吸收率，有效吸收外部光信号，减少反射，提高隐身效果。在红外大气窗口内表现出较低的吸收率，从而降低红外发射，提高隐蔽性。同时，在 5–8 μm 的非大气窗口内表现出较高的平均发射率，有助于增强辐射散热，有效降低目标温度。这些特性使得该结构在多光谱隐身技术中具有显著优势，适用于各种复杂的应用场景。实验研究表明，该结构在可见光和红外隐身方面表现出优越的性能，同时具备易于制造和机械柔性，能够应用于柔性基底。因此，该结构在多光谱隐身技术的研究和应用中具有重要的价值，为未来空间目标的隐身和防护提供了新的思路和技术手段。