导读
随着多光谱探测技术的进步和伪装应用场景的日益复杂化，动态可调且应对多光谱探测的器件对于伪装领域展现出巨大的潜力。中国科学院上海硅酸盐研究所光热调控智能材料课题组长期专注于动态智能光热调控材料及器件研究。近日曹逊团队利用VO2材料兼具宽波段光谱调控潜力与性能灵活可调特性，提出了一种VO2基多光谱动态调节器，实现可见-中红外波段多光谱动态调控，不仅在可见光环境下与多样背景有效融合，还能在热成像探测条件下始终保持目标的隐蔽效果。在不同的状态下，该器件在可见光波段有明显的反射色切换，并且在大气窗口波段（8–14 μm）实现了高达 Δε=-0.58 的负差发射率调节，在单一器件上兼容色彩-热伪装。通过进一步优化器件，实现热–电双模式响应及柔性特性，并结合数码迷彩生成系统的演示，验证了其在多元伪装场景下的应用潜力。这一成果为实现多光谱动态伪装技术提供了新的技术路径。
相关研究成果以 “Color-Thermal Multispectral Camouflage with VO2-based Dynamic Regulator” 为题发表于国际顶尖光学期刊《Light：Science & Applications》。
研究背景
伪装技术依托于与环境背景的高效融合，能够显著降低目标的可探测性，从而有效增强其隐蔽性能。随着探测技术的持续发展，传统伪装技术面临着新的挑战，尤其当目标处于多变的环境中和复杂的运行条件时，其效果更易受限。如今，可见光探测与热成像探测技术的广泛应用对目标隐蔽性提出了更高要求，因此，发展高效的可见光及红外伪装技术对于降低目标可探测性具有重要意义。因此，面向性能动态可调的多光谱伪装技术的探索具有重要的研究价值。
VO2是一种典型的热致变色材料，在68℃的相变温度点附近会发生绝缘态（单斜相）到金属态（金红石相）的相变过程，并伴随着显著的光学以及电学性质变化，正是其在不同的波段以及不同相变状态下展现出显著的物理性质差异，为多光谱动态伪装应用提供了材料基础。
然而，当前基于VO2的研究仍面临多重挑战：
（1）根据Stefan-Boltzmann定律（P=εσT4），物体发射的热辐射能量与其发射率和表面温度的四次方成正比，因此为了抵消物体温度上升所增加的热辐射功率，VO2基器件应具有优异的负差发射率调节（Δε=εHT-εLT<0，HT、LT 分别代表高温和低温）。
（2）目前，基于VO2实现反射色调控的器件通常采用 金属/VO2/金属 的法布里–珀罗多层膜结构。然而，结构中中红外波段反射的金属层会在一定程度上削弱器件整体发射率调节能力。为实现可见光与红外伪装调控的高效协同，并兼顾性能最优化，亟需开展针对性结构设计。
（3）由于VO2制备过程中的温度限制（通常高于300°C），器件基底通常采用刚性材料以承受特定温度（例如石英、硅片或蓝宝石）。然而，为进一步增强伪装技术的适用性，器件应具有足够的柔性以覆盖各种目标几何形状。
研究亮点
本文提出了一种基于VO2的多光谱动态调制器（图1），该结构由上下两层功能层组成：顶部热致变色布拉格反射器和底部负差发射率调制层。针对上层结构，通过控制顶层布拉格反射器中高折射率材料VO2和低折射率材料HfO2的膜层光学厚度位于对应中心波长的1/4处时，器件在对应波长下的反射会显著增强，而随着VO2相变所带来的可见光波段折射率的显著变化，布拉格反射器的中心波长也会随之偏移，从而带来反射色的动态切换。同时，通过控制膜层厚度可以相应地调节反射器的中心波长，从而提供多样化的反射颜色组合以适应不同场景。对于底层的负差发射率调制层而言，当VO2与高发射率的石英相复合时，低温下VO2呈中红外透明，器件整体呈现出高的发射率，而高温下，厚度较大的VO2在中红外波段的反射显著增强，器件整体呈现出低的发射率，从而实现了随着温度上升，发射率反而下降的负差发射率调制效果。结构设计的关键点在于，一方面底层结构中较厚的VO2可见光吸收率高，不会干扰顶层布拉格反射器的可见光反射调制；另一方面，中红外波段透明的HfO2确保了底层发射率的调制性能不会受顶部布拉格反射器的影响，从而实现对可见光及中红外波段动态性能的显著调控。
图1. 基于VO2的多光谱动态调制器结构示意图
为验证这一设计结构的可行性，研究团队通过光学模拟优化膜层厚度以及利用磁控溅射工艺制备出实际的多光谱动态调制器件（图2a），并分别对器件在可见光以及中红外波段的光学性能进行表征。可见光反射光谱表明，无论是改变布拉格反射器中心波长还是改变器件不同相变状态，均能实现显著的反射色切换范围，并且实验结果与理论模拟拟合结果一致（图2b和2c）。中红外波段发射率的测试结果则表明多光谱动态调制器在8–14 μm实现了Δε=-0.58的负差发射率调节（图2d），进一步的红外热成像演示也验证了相较于传统伪装器件，多光谱动态调制器在不同温度状态下与背景之间融合匹配优异，且不易受到外来热源所带来的潜在热辐射干扰（图2e和2f）。
图2. (a) 多光谱动态调制器的电镜图；(b) 布拉格反射器层中不同中心波长以及不同状态VO2下器件反射光谱及其对应反射色的理论值；(c) 布拉格反射器层中不同中心波长以及不同状态VO2下器件反射光谱及其对应反射色的实验值；(d) 多光谱动态调制器在不同状态下的高低温发射率；(e) 不同温度下的热成像对比；(f) 外来热源干扰下的热成像对比。
为验证多光谱动态调制器在实际应用中的可行性与应用前景，研究团队对器件进行了进一步性能优化与改进。首先VO2具有固定的相变温度，虽然元素掺杂可以调节相变温度，但在复杂多变的环境中仍然缺乏灵活性。研究团队通过电压输入所产生的焦耳加热来主动控制金属-绝缘体相变过程（图3a和3b），使其兼顾温度自适应以及焦耳加热的热-电双模式响应。而柔性器件能够确保其贴合不规则结构，同时在物体运动过程中保持稳定的伪装性能。研究团队将多光谱动态调制器与柔性聚酰亚胺相结合，通过制备流程的工艺的优化，在满足整体光学性能的前提下实现了器件的柔性化。通过实际样品的制备以及开展机械性能测试，也证实了柔性器件的结构稳定性（图3c）。进一步与目标物体的结合演示（图3d）以及大尺寸制备可行性（图3e）也说明了柔性多光谱动态调制器的应用潜力。
如前所述，多光谱动态调制器不仅在不同相变状态下能够改变其反射色，还可以通过改变膜层厚度来定制一系列的反射色组合。研究团队展示了一种数码迷彩生成算法系统（图3f），将实验测试得到的不同初始颜色信息的组合置入数据库中，并将目标场景图像的色彩信息通过软件识别划分并储存为多个像素块信息，然后采用邻近色块伪装算法，将数据库中的初始颜色填充到对应的像素块中，使其与图像的原始颜色进行匹配。最终输出的数码迷彩器件不仅可以应用于特定场景的伪装，而且能够适应不同的环境背景，并在热成像探测手段下始终与背景相融合。
图3. (a) 器件实现焦耳加热主动控制的示意图；(b) 电压控制多光谱动态调制器开关的照片；(c) 柔性多光谱动态调制器机械处理的照片；(d) 将热水倒入覆盖有柔性多光谱动态调制器的杯子前后的红外图像；(e) 不同尺寸的柔性多光谱动态调制器；(f) 数码迷彩生成算法系统示意图。
总结与展望
本研究提出一种多光谱动态调制器，基于布拉格反射器和负差发射率调制层的分层结构设计，实现了单一器件兼容可见光反射色以及中红外发射率的动态调控，以应用于可见-中红外波段动态伪装。研究团队还进一步优化器件设计，使其具有热-电双模式响应和柔性化，并通过数码迷彩生成算法系统的演示，展示了VO2基多光谱动态调节器在伪装应用可能的技术路径。随着多光谱探测技术的持续发展及伪装应用场景的日益复杂化，对多光谱动态伪装技术的需求愈发迫切。先进伪装技术与材料科学、光电探测、计算算法及物理学等多学科的深度融合，将进一步促进相关领域的交叉与协同发展。本研究有望在推动多光谱动态伪装技术发展的同时，拓展其在信息防伪、柔性电子与热管理等领域的应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01968-x
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