《Light-Science & Applications》：Broadband opto-thermal camouflage and infrared encrypted communication via inverse design
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跨越光学和热波段的多光谱探测技术对军事伪装构成了严重威胁，同时为隐蔽通信开辟了新机遇。然而，能够同时对抗这些威胁并利用这些波段进行通信的智能材料仍然缺乏。在此，研究人员采用基于贝叶斯优化（Bayesian optimization，BO）的逆设计策略，提出了一
跨越光学和热波段的多光谱探测技术对军事伪装构成了严重威胁，同时为隐蔽通信开辟了新机遇。然而，能够同时对抗这些威胁并利用这些波段进行通信的智能材料仍然缺乏。在此，研究人员采用基于贝叶斯优化（Bayesian optimization，BO）的逆设计策略，提出了一种光热解耦的光子结构。该结构在0.38–2.5 μm范围内（涵盖可见光（visible，VIS）、近红外（near-infrared，NIR）和短波红外（short-wave infrared，SWIR）波段，包括1.55 μm激光波长）实现了宽带光学伪装，并具有可调结构色板，覆盖了66%的CMYK色域。关键的是，虽然这些颜色可独立调节，但该结构在中波红外（mid-wave infrared，MWIR）和长波红外（long-wave infrared，LWIR）波段调制辐射以进行动态热伪装，实现了由二氧化钒（vanadium dioxide，VO?）相变驱动的MWIR/LWIR发射率在0.41?±?0.04/0.90?±?0.01与0.93?±?0.03/0.45?±?0.01之间的一致切换。除伪装外，通过精确调节温度，研究人员利用VO?连续相演化产生的差异化MWIR/LWIR热特征来编码信息，实现红外加密通信。研究人员通过实验证明了该结构在宽带光热隐蔽和隐蔽通信方面的双重能力。这项工作将多光谱伪装与隐蔽通信集成在单一平台上，为下一代军事智能材料提供了新的设计策略。
**研究背景与意义**
现代军事探测系统覆盖多个关键光谱波段，包括可见光（VIS，0.38–0.78 μm）、近红外（NIR，0.78–1.4 μm）、激光（1.55 μm）和短波红外（SWIR，1.4–2.5 μm）等反射光成像波段，以及中波红外（MWIR，3–5 μm）和长波红外（LWIR，8–14 μm）等热探测波段。这种跨越光学与热波段的多光谱探测技术对军事伪装构成严重威胁，但同时也为隐蔽通信提供了新的机遇。然而，现有材料大多难以同时应对这些威胁并利用这些波段进行信息传输：传统色素仅在VIS波段有效，在NIR和SWIR波段则暴露光学差异；而热伪装策略虽能控制发射率，却往往缺乏对相邻光学与热波段的解耦能力。更重要的是，专注于单模态或单功能伪装的研究放弃了利用这些波段进行信息交换的机会。因此，开发一种能够同时实现宽带光热伪装与红外加密通信的智能材料，对于下一代军事装备具有重要意义。
**研究内容与结论**
本研究通过基于贝叶斯优化（BO）的逆设计方法，提出了一种七层光子结构（自上而下为：TiO?、顶层Si、Ge、VO?、ITO、底层Si、Mo），该结构将宽带光热伪装与红外加密通信无缝集成于单一平台。实验证明，该结构在VIS波段具有高度可定制的结构色（覆盖66% CMYK色域），并在NIR、SWIR及1.55 μm激光波段实现宽带光学吸收；在热波段，通过VO?的绝缘体-金属相变驱动MWIR/LWIR发射率动态切换（平均从0.41?±?0.04/0.90?±?0.01切换至0.93?±?0.03/0.45?±?0.01），实现选择性热伪装。此外，通过精确调控温度，利用VO?连续相演化产生的差异化MWIR/LWIR热特征进行信息编码，实现红外加密通信。该工作发表于《Light-Science》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了基于贝叶斯优化（BO）的逆设计策略，以传递矩阵法（TMM）计算光谱特性，并通过高斯过程回归构建代理函数，利用采集函数迭代采样层厚，直至目标函数（FOM）达到全局最小值。结构制备采用磁控溅射法在硅晶圆或聚酰亚胺（PI）基底上沉积各层薄膜，其中VO?层通过V?O?靶沉积后退火处理。光谱表征使用紫外-可见-近红外分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行。多光谱成像在VIS、NIR、激光、SWIR、MWIR和LWIR波段通过多种商用探测器完成。
**研究结果**
**光电结构原理**
通过BO逆设计，研究人员构建了七层光子结构，其核心是在VIS波段独立定制颜色，同时在NIR-SWIR波段保持高吸收，并通过VO?相变实现MWIR/LWIR发射率动态切换。结构作为双法布里-珀罗（F-P）共振腔：绝缘态（I态）时，底层Si谐振器产生LWIR选择性高发射率；金属态（M态）时，顶部四层结构谐振产生MWIR选择性高发射率。这种设计实现了光热光谱解耦。
**基于贝叶斯优化的逆设计**
逆设计过程通过定义FOM（包含NIR-SWIR吸收、MWIR和LWIR发射率切换）进行优化，约67次迭代后达到全局最小值（-2.13）。优化后的层厚为（104.1, 1.4, 192.4, 235.7, 73.5, 620.2, 300.0）nm。通过调节顶层TiO?和Ge的厚度（同时保持顶层Si/Ge总光学厚度恒定），研究人员实现了覆盖66% CMYK色域的可调结构色，且颜色改变对MWIR/LWIR发射率影响极小（平均FOM变化仅±0.06），验证了优异的光热解耦能力。
**制备与表征**
磁控溅射制备的15个3×3 cm样品展示了从沙漠绿到天空蓝的丰富结构色，扫描电镜（SEM）截面和能谱（EDS）元素分布确认了高质量七层结构。测量表明：VIS颜色在VO?相变前后完全重叠（实现稳定VIS伪装）；NIR-SWIR平均吸收率在I态为0.67–0.71，M态为0.73–0.78；MWIR/LWIR发射率在I态平均为0.41/0.90，M态为0.93/0.45，统计一致性好。柔性PI基底样品也展现了优异适应性。
**光热伪装演示**
研究人员将图案化样品集成于立方体模型上，验证了宽带光热伪装性能。在VIS探测器下，伪装图案与背景融合；随检测波长增至NIR、激光和SWIR，图案消失（而传统军事伪装布料暴露）；在热波段（MWIR/LWIR），通过温度控制展示动态热伪装：I态（45℃）时样品在MWIR暴露而LWIR隐蔽，M态（80℃）时则相反。角度稳定性测试也证实了性能。
**加密信息传输演示**
通过精确调控单个单元温度，研究人员定义了四种热暴露状态：'00'（隐蔽）、'01'（仅MWIR暴露）、'10'（双波段暴露）、'11'（仅LWIR暴露），对应二进制编码。时间响应测试显示30秒开关周期（受限于温度控制器），循环1200次后光谱无明显退化。将6×6阵列按预定义蛇形路径进行空间编码，可实现多层加密传输（如“SOUTHEAST”）。该加密方法同时利用波长、温度和空间域，大幅增加破解难度。理论估算表明，单个5×5 cm2周期、3×3 cm2像素加热至68℃约需2.5 W功率。
**总结与讨论**
该研究提出的光子结构通过内置的光谱解耦能力（VIS颜色可独立于NIR-SWIR吸收，且两者不受VO?层MWIR/LWIR发射率调制影响），解决了以往多光谱材料调谐一个波段必然扰动另一波段的矛盾。论文结论部分翻译如下：
综上所述，研究人员提出了一种通过基于贝叶斯优化的逆方法设计的光子结构，它将宽带光热伪装与红外加密通信集成于单一平台。关键在于架构内置的光谱解耦：可见波段的结构色可独立于近红外-短波红外吸收进行调节，且当VO?层调制中波红外和长波红外发射率时，两者均不受干扰。这解决了制约早期多光谱材料的一个矛盾——调整一个波段几乎不可避免地扰动了另一个波段。该平台也存在明显局限性：对高分辨率军用级传感器和高光谱成像的鲁棒性尚待验证，将隐蔽扩展至雷达波段将是未来重要方向。当前由单元热响应决定的开关速率限制了原型机仅适用于低带宽、高安全性消息传输；缩小单元尺寸并通过元素掺杂降低VO?相变温度，应能缩短热循环并降低规模化所需的加热功率。除展示的伪装场景外，相同设计原理还提示了在低可观测热管理、跨波段防伪以及射频通道受限时的短距离隐蔽链路等应用可能性——表明当光谱通道得到适当分离时，隐身与通信不必设计为对立功能。
