偽裝技術依靠與環(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(fā)展，傳統(tǒng)偽裝技術的局限性日益凸顯，其在復雜環(huán)境和動態(tài)運行條件下的適應性明顯不足?？梢姽獬上衽c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(tài)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(tài)調制器，不僅能夠實現(xiàn)在肉眼觀測下與環(huán)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(xiàn)可見-中紅外波段多光譜的動態(tài)調控，為實現(xiàn)多光譜動態(tài)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(fā)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(tài)調制器，其由上層布拉格反射器和底部負差發(fā)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(fā)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(fā)生偏移，從而實現(xiàn)反射色的動態(tài)可調切換。通過精確調節(jié)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(huán)境的需求。

圖1：(a)基于VO2的多光譜動態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(fā)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(fā)射率的石英相結合時，器件整體表現(xiàn)出低溫高發(fā)射率、高溫低發(fā)射率的調制效果（Δε=-0.58），從而有效實現(xiàn)目標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相互影響，確保了可見光和中紅外波段性能動態(tài)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(tài)調制器在不同狀態(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(yōu)化以匹配現(xiàn)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(shù)碼迷彩生成算法系統(tǒng)的引入則進一步實現(xiàn)了對目標場景顏色分布的精準匹配，使多光譜動態(tài)調制器在復雜環(huán)境中保持更優(yōu)的視覺與熱偽裝性能。

圖3：(a)電壓控制實現(xiàn)焦耳加熱主動控制；(b)將熱水倒入覆蓋有柔性多光譜動態(tài)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(tài)調制器；(d)柔性多光譜動態(tài)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(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差發(fā)射率調制層的分層結構設計的多光譜動態(tài)調制器，實現(xiàn)了單一器件對可見光反射色和中紅外發(fā)射率的協(xié)同調控，可用于覆蓋可見至中紅外波段的動態(tài)偽裝。進一步的器件優(yōu)化賦予其熱-電雙模響應與柔性特性，并結合數(shù)碼迷彩生成算法系統(tǒng)的演示，展示了VO2基多光譜動態(tài)調節(jié)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(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(fā)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