上海交通大学AM：让热伪装与红外通信在同一窗口内并行

热辐射既是能量载体也是信息载体，但现有热辐射材料多侧重光谱调控，空间传播方向的研究相对不足，且空间响应与光谱响应往往紧密耦合。光谱策略可调节发射率甚至实现多光谱解耦，却基本不约束空间分布；空间设计虽能引导热辐射，却常受带宽限制并与光谱响应耦合。以红外伪装为例，不透明低发射率表面在均匀热背景下可能显得比背景更冷，半透明光谱分布可缓解失配并提供外向信号通道，却常与伪装目标冲突；在现实环境中，热地面、建筑立面或运行发动机的热辐射还可经镜面反射进入探测器视场，形成醒目热特征。因此，稳健伪装需要光谱与空间协同控制，既通过半透明实现背景匹配，又通过空间路由将外部热干扰重定向远离探测器。红外通信同样面临传统强度调制方案响应延迟和运行稳定性受限的问题，引入空间自由度有望使热信号从强度调制走向方向性波前控制。上述需求呼唤能够在8–13 µm宽带范围内实现空间与光谱解耦的平台。

上海交通大学周涵教授课题组提出的空间与光谱解耦超窗（SSDW）正是针对这一挑战。该器件将方向性反射分束与光谱剪裁分配给不同几何自由度，在8–13 µm宽带范围内独立控制热辐射的光谱分布和空间分布，表现出可见雾度、中红外半透明性以及对镜面反射的宽带抑制，包括在10.6 µm处。无论在没有外部热干扰时，还是在外部源温度、源入射角和相机视角变化时，SSDW都能保持稳定的表观热特征，从而实现可见—激光—红外兼容伪装，同时保留紧急信号的外向通道。作为概念验证，SSDW还将10.6 µm激光的入射方向编码为空间反射图案，用于辅助红外通信，并能在中等角度变化下可靠解码。该工作由此将空间与光谱解耦确立为热辐射工程框架，把控制从辐射强度扩展到协调的热与信息通路。相关论文以“Spatial and Spectral Decoupled Meta-Window for Thermal Camouflage and Infrared Communication”为题，发表在Advanced Materials上。

为把这一思路落到实处，研究首先将SSDW设计为同时裁剪中红外热辐射光谱分布与空间路径的半透明窗口，并把热伪装和角度响应红外文本通信作为两类代表场景（图1a）。传统低雾度镜面窗口会把外部热辐射反射至红外相机，使表观热特征随周围场景变化；SSDW则结合高可见雾度与8–13 µm宽带反射分束，遮挡内部细节并把中红外辐射引导离开镜面方向，在抑制镜面反射率的同时保留较高积分反射率（图1b）。为评估光谱匹配与反射分束的联合效果，研究将表观温度模型扩展为包含器件发射、反射环境辐射、反射外部源辐射和透射内部辐射的四项模型，固定器件、环境和内部温度而改变外部热源温度，结果表明传统参考的表观温度随外部热源升温快速升高，SSDW则因将镜面反射分量引导离开观察路径而保持接近环境基线的稳定热特征（图1c）；同一角度响应反射还被用于把10.6 µm激光的不同入射角转换为可由红外相机捕获的空间图案，从而映射为字母符号（图1d）。

图1 用于热伪装和红外文本通信的SSDW。(a) SSDW实现的两种功能的概念示意图。对于热伪装，传统低发射率窗口将外部辐射镜面反射到红外相机，使目标暴露，而SSDW重定向辐射并稳定其表观热特征。对于通信，SSDW将10.6 µm处的不同入射角映射为不同的红外反射图案，用于辅助文本通信。(b) 传统窗口表现出低可见雾度和中红外镜面反射，暴露内部视觉信息并将反射热辐射集中到镜面反射瓣。相比之下，SSDW通过高可见雾度遮挡内部细节，并将宽带8–13 µm反射分成离轴瓣，在保持高积分反射率的同时抑制镜面反射率。(c) 基于四项辐射模型计算的表观温度响应随外部热干扰增加，该模型包含器件发射、反射环境辐射、反射外部源辐射和透射内部辐射。传统参考随Tobj增加表现出表观温度显著升高，而SSDW保持稳定的表观热特征。(d) 角度响应红外文本通信原理，其中入射方向信息转换为由红外相机捕获的空间反射图案。

在机制层面，SSDW采用BaF2光栅与嵌入Al方形反射器构成两个深度偏移单元，并按0101编码序列排列，以周期性反射相位分布和几乎均匀的透射相位实现宽带定向反射与半透明光谱控制（图2a）。其总复反射系数可近似为表面贡献与深度相关内部反射项之和（图2b），通过精心设计嵌入深度差，使两个单元的内部反射项在目标波长反相，同时利用共同表面反射项提供相位修正，从而在8–13 µm内保持接近π的反射相位差，而透射相位差可忽略（图2c）。相邻单元反射波在镜面方向发生相消干涉，使背散射能量重定向，同时保持前向透射（图2d）；分束响应主要由嵌入深度差Δh控制，高定向性仅出现在优化Δh附近，非优化值会留下残余中心反射（图2e）。与之相对，Al占空比a用于裁剪积分光谱响应，增加a会单调提高宽带积分反射率并降低透射率，而对分束响应影响较小（图2g）。模拟显示SSDW在8–13 µm内平均镜面反射率为0.09、中红外透射率为0.36（图2f、图2h），并通过2×2参数矩阵样品验证两个几何参数各自选择性调谐相关响应且串扰很小，从而在多个参数组合而非单一优化点上验证了空间—光谱解耦。

图2 SSDW用于宽带中红外定向反射和半透明光谱控制的设计原理和工作机制。(a) SSDW示意图，由两个深度偏移单元“0”和“1”按0101编码序列排列。阵列施加周期性反射相位分布，同时保持几乎均匀的透射相位。(b) 宽带近π反射相位差机制（h0=2.48 µm，h1=0.88 µm）。总复反射系数近似为rtotal,j≈r1,j+r2,j，其中r2,j表示深度相关内部反射项。相应功率反射率为Rj=|rtotal,j|²，j=0,1。(c) 单元0和1的模拟反射和透射相位，以及8–13 µm相应相位差。(d) λ=10.6 µm处电场强度|E|²分布的代表性帧。(e) 光束定向性对嵌入深度差Δh的依赖，显示高定向性仅出现在优化Δh附近，非优化值导致残余中心反射。(f) SSDW在8.5、10.6和12.5 µm代表波长法向入射下的模拟3D远场辐射图案。(g) 通过改变Al方形贴片占空比a裁剪积分光谱响应。(h) 固定周期p=8 µm时，a=0.65的模拟宽带反射率以及a=0.4、0.65和0.8的透射率。

实验上，研究通过多步薄膜沉积与对准光刻制备了宏观SSDW样品，并对其形貌、光谱和空间响应进行了系统表征。样品在短距离观察时呈透明，平均可见光学雾度约77.03%，可有效模糊远处背景并提供视觉隐私（图3a）；显微表征显示BaF2光栅具有高度周期性阵列、锐利边缘、垂直侧壁和均匀台阶高度，Al方形贴片精确对齐并居中嵌入（图3b、图3c）。测量表明，SSDW在8–13 µm内镜面反射率平均被抑制到0.14，明显低于约0.58的积分反射率，这一对比在10.6 µm处仍然明显（图3d）；用10.6 µm CO2激光以近法向照射时，SSDW将入射光束分成反射角约±38°的两个对称方向，而传统Al参考产生强烈镜面亮斑（图3e、图3f）。热红外实验进一步显示，Al参考和缺乏空间分束的BaF2–Ge参考在外部热源升温时表观温度显著升高，BaF2参考对内部热背景高度敏感，SSDW则在器件温度和外部源温度变化时保持更稳定的表观温度，实验与理论吻合（图3g、图3h）；在空间非均匀热背景以及外部源入射角和相机探测角独立调整时，SSDW同样保持稳定且不产生局部反射热点，说明其表观热特征对复杂热环境和观察几何具有较强鲁棒性。

图3 制备SSDW的形貌、光谱和空间表征。(a) SSDW的数字照片，显示可见透明性和光学雾度。比例尺2 cm。(b) SSDW样品的俯视SEM图像。(c) SSDW的3D激光扫描共聚焦显微镜图像（上）和2D高度剖面（下）。(d) SSDW在可见和中红外波段测量的积分/镜面反射率和透射率光谱。(e) 表征方向反射分束响应的实验装置示意图，插图为(i) SSDW和(ii) Al参考的照片。(f) 在近法向10.6 µm CO2激光照射下（θin≈2°），SSDW和Al参考的反射光束图案。(g) 固定Tdev=35°C时，四种样品在不同外部源条件下的热红外图像：无外部热源、Tobj=60°C和110°C。样品1–4分别对应Al参考、BaF2参考、SSDW和BaF2–Ge参考。(h) 四种样品的表观温度Ta随Tdev和Tobj的变化。

在应用演示中，研究构建了配备SSDW的掩体场景，以检验多光谱伪装与紧急信号能否在同一窗口内兼容（图4a）。自然光下ITO和BaF2窗口高度透明，直接暴露内部场景，SSDW则通过高光学雾度遮挡内部，同时保持足够可见透射用于采光。红外成像中，无外部干扰时低发射率ITO窗口呈现明显冷区，高透射BaF2窗口直接揭示内部热信息，说明仅靠高反射或高透射光谱响应均难以有效热伪装；外部观察者接近时，其约37°C热辐射被ITO窗口镜面反射至红外相机，使表观温度相对背景偏差达44.1%，SSDW则通过宽带空间分束将反射热辐射重定向离开镜面观察方向，相对偏差仅1.47%（图4b）。当约60°C的车辆发动机或受热建筑表面作为外部热源时，ITO窗口表观温度被推高至56.8°C，缺乏空间分束的BaF2–Ge参考也明显升温，SSDW则保持22.5°C的稳定表观温度；在0°至60°入射角范围内，SSDW与背景温差保持在0.1°C以内（图4d）。高光学雾度在被动可见观察下隐藏内部细节，表观温度匹配在被动中红外成像下最小化热对比，主动10.6 µm激光探测时同一空间控制机制又将反射信号重定向远离接收器，降低激光回波，从而形成可见—激光—红外兼容伪装。紧急情况下，待机时透明PDMS字母接近背景温度，可见和红外图像中均无明显SOS图案；激活后加热字母产生足够热对比，在红外图像中显示清晰SOS图案而可见光下不可见，SSDW的半透明中红外通道将SOS热信号透出窗口供外部红外探测，BaF2窗口虽透信号却暴露其他内部热信息，高反射ITO窗口则阻挡外向热信号（图4c）。

图4 多光谱伪装和紧急信号的实验演示。(a) 配备SSDW的掩体在复杂热环境中进行多光谱伪装的示意图。紧急情况下，SOS信号可通过部分透明中红外通道向外传输。(b) SSDW与ITO（R≈0.92）和BaF2（T≈0.86）参考的光学和红外图像。红外图像在热稳态下获取，包括无外部源和外部热源Tobj=37°C条件。外部热源提供宽带非相干热辐射。白色虚线框上方数值表示平均测量表观温度。比例尺2.5 cm。(c) 通过ITO、BaF2和SSDW窗口观察激活SOS图案的红外图像。比例尺2.5 cm。(d) 不同外部热源条件下背景和三种窗口样品的平均表观温度。百分比表示相对于背景表观温度归一化的相应差异。误差棒表示标准差。

在通信验证中，研究利用SSDW的角度响应反射图案，把10.6 µm激光入射角转换为可由红外相机记录和解码的空间图案（图5a）。发送者通过改变激光入射角传达字母，SSDW将特定角度刺激转换为不同光束方向，在二维观察平面上形成以强度极大值位置为编码特征的空间图案，进而建立将空间图案与26个英文字母关联的编码库（图5b、图5c）；红外相机捕获图案并传送至计算机终端，与预定义编码库匹配后解码显示（图5d）。以字母“O”为例，系统识别到两个连续反射轮廓，其高强度斑点分别位于θ1=−15°、θ2=−62°和22°，并映射回入射角θin=60°和15°，终端显示目标字母“O”（图5e）；“D”“H”“I”“U”等代表字母的实验与模拟吻合，支持一致图案解码和文本识别（图5f）。入射角在名义编码状态附近变化时，反射瓣虽略有移动，但解码所需空间特征仍保留，重复测试确认在所考察角度范围内可靠识别。在更复杂场景中，同一SSDW掩体、固定10.6 µm激光和红外相机下传输问候“HI”时，SSDW在主动激光照射下与热背景温差保持在0.1°C以内，相应反射图案在接收端被正确解码，编码高强度斑点限于接收屏，掩体保持均匀热外观，说明通信功能可与背景匹配的热伪装外观并行。

图5 在10.6 µm激光照射下基于SSDW角度响应反射图案的辅助红外文本通信。(a) 辅助通信场景的概念验证示意图。发送者（操作员A）通过改变SSDW上的入射角传达字母，接收者（操作员B）根据相应反射图案识别所传输字母。(b) 文本通信系统架构以及编码和解码工作流程。(c) 不同红外入射角组合、相应定向反射图案及相关字母。具体而言，根据空间特征将不同分束图案唯一分配给26个英文字母。(d) 通过SSDW进行文本通信的实验场景。(e) 文本通信的解码过程。红外相机最初捕获SSDW产生的空间反射图案；随后，这些记录图案被映射到相应入射角并转换为字母进行显示。(f) 代表字母“D”“H”“I”和“U”的测量定向反射图案。色条表示红外相机记录的表观温度。

总体而言，SSDW通过双通道几何设计将宽带方向反射分束与定制半透明光谱响应结合，在8–13 µm内将镜面反射率抑制到约0.14，同时保持可见和红外透射，使红外特征在多样热背景和外部热源条件下保持稳定，并在单一窗口架构中整合可见隐私、降低10.6 µm激光回波、红外伪装和紧急热信号；角度响应空间控制还将入射角状态转换为用于字母编码的不同空间图案，并在中等入射角变化下保持可靠识别，主动通信也未产生局部红外热点。更广泛地看，该工作将空间方向引入热辐射调控，使控制超越光谱调节；通过解耦镜面反射响应与积分反射能量，SSDW可重定向宽带非相干热辐射，实现欺骗性红外外观和智能热信息显示。未来可探索可编程热重分布、热路由和废热收集，通过定向控制反射热流推进面向建筑能效和辐射热管理的热光子窗口系统。