Light Sci. Appl.：上硅所曹遜團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)多光譜動(dòng)態(tài)偽裝應(yīng)用

偽裝技術(shù)依靠與環(huán)境背景的深度融合，能夠在很大程度上削弱目標(biāo)被探測(cè)的概率，從而顯著提升其隱蔽與生存能力。隨著探測(cè)技術(shù)的快速迭代，尤其是多光譜探測(cè)手段的發(fā)展，傳統(tǒng)偽裝技術(shù)的局限性日益凸顯，其在復(fù)雜環(huán)境和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下的適應(yīng)性明顯不足。可見光成像與紅外熱成像等探測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得目標(biāo)在晝夜、全天候條件下均易暴露，對(duì)偽裝提出了更高要求。因此，面向性能動(dòng)態(tài)可調(diào)的多光譜偽裝技術(shù)的探索具有重要的研究?jī)r(jià)值。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究團(tuán)隊(duì)利用熱致變色VO2材料寬波段光學(xué)性能的可調(diào)特性，設(shè)計(jì)并提出了一種基于VO2的多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在肉眼觀測(cè)下與環(huán)境背景有效融合，更能在熱成像探測(cè)下始終保持目標(biāo)物體的隱蔽效果，從而實(shí)現(xiàn)可見-中紅外波段多光譜的動(dòng)態(tài)調(diào)控，為實(shí)現(xiàn)多光譜動(dòng)態(tài)偽裝提供了新的技術(shù)路徑。相關(guān)成果以“Color-Thermal Multispectral Camouflage with VO2-based Dynamic Regulator”為題，發(fā)表在國(guó)際頂尖光學(xué)期刊Light: Science & Applications上。

為了兼顧器件在可見光波段與中紅外波段的調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于VO?的多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器，其由上層布拉格反射器和底部負(fù)差發(fā)射率調(diào)制層構(gòu)成。通過(guò)調(diào)控頂層布拉格反射器中VO?（高折射率層）與HfO2（低折射率層）的光學(xué)厚度，使其接近設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)的四分之一，可顯著提升器件在該波長(zhǎng)處的反射（圖1）。而當(dāng)VO?發(fā)生相變并引起可見光波段折射率大幅變化時(shí)，布拉格反射器的中心波長(zhǎng)隨之發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)反射色的動(dòng)態(tài)可調(diào)切換。通過(guò)精確調(diào)節(jié)膜層厚度，可靈活改變反射器的中心波長(zhǎng)，從而獲得多種反射色組合以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需求。

圖1：(a)基于VO2的多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)頂層布拉格反射器調(diào)控示意圖；(c)多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器電鏡圖；(d)布拉格反射器中不同中心波長(zhǎng)以及不同狀態(tài)VO2下器件反射光譜及其對(duì)應(yīng)反射色的理論值；(e)布拉格反射器中不同中心波長(zhǎng)以及不同狀態(tài)VO2下器件反射光譜及其對(duì)應(yīng)反射色的實(shí)驗(yàn)值。

針對(duì)底層的負(fù)差發(fā)射率調(diào)制層（圖2），VO2在相變前后伴隨中紅外透明到反射的性能切換，其與高發(fā)射率的石英相結(jié)合時(shí)，器件整體表現(xiàn)出低溫高發(fā)射率、高溫低發(fā)射率的調(diào)制效果（Δε=-0.58），從而有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體處于高低溫狀態(tài)下均能融入背景。更重要的是，上下層的材料選擇不會(huì)相互影響，確保了可見光和中紅外波段性能動(dòng)態(tài)調(diào)控互不干擾。

圖2：(a)不同溫度下VO2的晶體與能帶結(jié)構(gòu)示意圖；(b)多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器在不同狀態(tài)下的高低溫發(fā)射率；(c)不同溫度下的樣品熱成像輻射溫度對(duì)比；(d)外加熱源干擾下熱成像對(duì)比。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步針對(duì)器件設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以匹配現(xiàn)實(shí)需求（圖3），使其兼顧被動(dòng)（溫度自適應(yīng)）-主動(dòng)（焦耳加熱）調(diào)控模式以及柔性化，從而靈活響應(yīng)并有能力覆蓋各種目標(biāo)復(fù)雜幾何形狀。數(shù)碼迷彩生成算法系統(tǒng)的引入則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景顏色分布的精準(zhǔn)匹配，使多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器在復(fù)雜環(huán)境中保持更優(yōu)的視覺與熱偽裝性能。

圖3：(a)電壓控制實(shí)現(xiàn)焦耳加熱主動(dòng)控制；(b)將熱水倒入覆蓋有柔性多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器的水杯前后的紅外圖像；(c)不同尺寸的柔性多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器；(d)柔性多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器機(jī)械處理的照片；(e) VO2材料電阻隨溫度變化曲線；(f)數(shù)碼迷彩生成算法系統(tǒng)示意圖。

本研究提出了一種基于布拉格反射器與負(fù)差發(fā)射率調(diào)制層的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了單一器件對(duì)可見光反射色和中紅外發(fā)射率的協(xié)同調(diào)控，可用于覆蓋可見至中紅外波段的動(dòng)態(tài)偽裝。進(jìn)一步的器件優(yōu)化賦予其熱-電雙模響應(yīng)與柔性特性，并結(jié)合數(shù)碼迷彩生成算法系統(tǒng)的演示，展示了VO2基多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器在復(fù)雜偽裝場(chǎng)景中的潛在技術(shù)路徑。隨著未來(lái)先進(jìn)偽裝技術(shù)與材料科學(xué)、光電探測(cè)、計(jì)算算法和物理學(xué)等多學(xué)科的深度融合，將有望推動(dòng)該領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，并拓展其在信息防偽、柔性電子和熱管理等方向的應(yīng)用前景。

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員為本文通訊作者。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士研究生李誠(chéng)聰為論文第一作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助和支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01968-x