Light Sci. Appl.：上硅所曹遜團隊實現多光譜動態偽裝應用

偽裝技術依靠與環境背景的深度融合，能夠在很大程度上削弱目標被探測的概率，從而顯著提升其隱蔽與生存能力。隨著探測技術的快速迭代，尤其是多光譜探測手段的發展，傳統偽裝技術的局限性日益凸顯，其在復雜環境和動態運行條件下的適應性明顯不足。可見光成像與紅外熱成像等探測技術的廣泛應用，使得目標在晝夜、全天候條件下均易暴露，對偽裝提出了更高要求。因此，面向性能動態可調的多光譜偽裝技術的探索具有重要的研究價值。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所曹遜研究團隊利用熱致變色VO2材料寬波段光學性能的可調特性，設計并提出了一種基于VO2的多光譜動態調制器，不僅能夠實現在肉眼觀測下與環境背景有效融合，更能在熱成像探測下始終保持目標物體的隱蔽效果，從而實現可見-中紅外波段多光譜的動態調控，為實現多光譜動態偽裝提供了新的技術路徑。相關成果以“Color-Thermal Multispectral Camouflage with VO2-based Dynamic Regulator”為題，發表在國際頂尖光學期刊Light: Science & Applications上。

為了兼顧器件在可見光波段與中紅外波段的調控，研究團隊提出了一種基于VO?的多光譜動態調制器，其由上層布拉格反射器和底部負差發射率調制層構成。通過調控頂層布拉格反射器中VO?（高折射率層）與HfO2（低折射率層）的光學厚度，使其接近設計中心波長的四分之一，可顯著提升器件在該波長處的反射（圖1）。而當VO?發生相變并引起可見光波段折射率大幅變化時，布拉格反射器的中心波長隨之發生偏移，從而實現反射色的動態可調切換。通過精確調節膜層厚度，可靈活改變反射器的中心波長，從而獲得多種反射色組合以滿足不同應用環境的需求。

圖1：(a)基于VO2的多光譜動態調制器結構示意圖；(b)頂層布拉格反射器調控示意圖；(c)多光譜動態調制器電鏡圖；(d)布拉格反射器中不同中心波長以及不同狀態VO2下器件反射光譜及其對應反射色的理論值；(e)布拉格反射器中不同中心波長以及不同狀態VO2下器件反射光譜及其對應反射色的實驗值。

針對底層的負差發射率調制層（圖2），VO2在相變前后伴隨中紅外透明到反射的性能切換，其與高發射率的石英相結合時，器件整體表現出低溫高發射率、高溫低發射率的調制效果（Δε=-0.58），從而有效實現目標物體處于高低溫狀態下均能融入背景。更重要的是，上下層的材料選擇不會相互影響，確保了可見光和中紅外波段性能動態調控互不干擾。

圖2：(a)不同溫度下VO2的晶體與能帶結構示意圖；(b)多光譜動態調制器在不同狀態下的高低溫發射率；(c)不同溫度下的樣品熱成像輻射溫度對比；(d)外加熱源干擾下熱成像對比。

研究團隊進一步針對器件設計進行優化以匹配現實需求（圖3），使其兼顧被動（溫度自適應）-主動（焦耳加熱）調控模式以及柔性化，從而靈活響應并有能力覆蓋各種目標復雜幾何形狀。數碼迷彩生成算法系統的引入則進一步實現了對目標場景顏色分布的精準匹配，使多光譜動態調制器在復雜環境中保持更優的視覺與熱偽裝性能。

圖3：(a)電壓控制實現焦耳加熱主動控制；(b)將熱水倒入覆蓋有柔性多光譜動態調制器的水杯前后的紅外圖像；(c)不同尺寸的柔性多光譜動態調制器；(d)柔性多光譜動態調制器機械處理的照片；(e) VO2材料電阻隨溫度變化曲線；(f)數碼迷彩生成算法系統示意圖。

本研究提出了一種基于布拉格反射器與負差發射率調制層的分層結構設計的多光譜動態調制器，實現了單一器件對可見光反射色和中紅外發射率的協同調控，可用于覆蓋可見至中紅外波段的動態偽裝。進一步的器件優化賦予其熱-電雙模響應與柔性特性，并結合數碼迷彩生成算法系統的演示，展示了VO2基多光譜動態調節器在復雜偽裝場景中的潛在技術路徑。隨著未來先進偽裝技術與材料科學、光電探測、計算算法和物理學等多學科的深度融合，將有望推動該領域的協同發展，并拓展其在信息防偽、柔性電子和熱管理等方向的應用前景。

中國科學院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員為本文通訊作者。中國科學院上海硅酸鹽研究所博士研究生李誠聰為論文第一作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目的資助和支持。

論文鏈接：

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