Hel-infrarød-bånd-camouflage med dual-band radiativ varmeafledning

Camouflage refererer til evnen til at reducere det signal, der fanges af detektorer, og derved forbedre overlevelsesraterne. Kombinationen af ​​detektorer, der opererer i flere spektralbånd, udgør imidlertid en betydelig udfordring, hvilket nødvendiggør udviklingen af ​​multibånds camouflageteknologier. Derudover er camouflage normalt i konflikt med krav til strålingsvarmeafledning, som har væsentlige bidrag til den termiske håndtering af genstande.

Objekter forråder typisk deres tilstedeværelse gennem to typer signaler:reflekterede signaler fra eksterne lyskilder og termiske emissionssignaler fra selve objekterne. På den ene side bliver objekter i naturen belyst af eksterne lyskilder, blandt hvilke soludstråling er den mest betydningsfulde. Solstråling udsender sin energi hovedsageligt i det spektrale område på 0,15-4 μm og spiller en afgørende rolle i det synlige (VIS, 400-780 nm), nær-infrarødt (NIR, 0,78-1,4 μm) og kortbølget infrarødt ( SWIR, 1,4–2,5 μm) detektionsbånd.

På den anden side udstråler genstande energi gennem termisk emission, som kan detekteres af detektorer, der arbejder i atmosfæriske transmissionsvinduer (midtbølge infrarød (MWIR, 3-5 μm) og langbølget infrarød (LWIR, 8-14 μm) ). Når temperaturen stiger, skifter spidsbølgelængden af ​​termisk emission til kortbølgeretningen, hvilket gør det strålingssignal i SWIR-båndet ikke ubetydeligt.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Qiang Li fra State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Kina, og kolleger har udviklet en hel-infrarødt bånd-camouflageenhed, som er kompatibel med strålingsvarmeafledning i to uopdagede bånd (2,5-3 μm og 5-8 μm). Baseret på forståelsen af ​​signalkilderne har de foreslået de spektrale træk ved camouflage-enheder:

• I SWIR-båndet har lav emissivitet et bredere anvendelsesområde. Den højeste stråling af solskin svarer til den for en 330° C sort krop. Men i praktiske scenarier, hvor solindstrålingen generelt er lavere end dets højeste niveau, bidrager hæmning af termisk emission i højere grad til at reducere den samlede signalintensitet.
• I MWIR- og LWIR-båndene er lav emissivitet mere egnet, da termisk emission normalt dominerer det detekterede signal, og intensiteten af ​​solskin er svag nok til at være ubetydelig.
• I VIS- og NIR-båndene er lav reflektivitet at foretrække, da den overvejende kilde til det detekterede signal er reflekteret solstråling, og termisk emission generelt er ubetydelig.

Al₂ O₃ /Ge/Al₂ O₃ /Ge/ZnS/GST/Ni flerlagsstruktur anvendes til at modulere det ultra-brede spektrum fra det synlige til LWIR-området. Den unikke arkitektur af denne struktur gør det muligt for den at imødekomme de varierende krav fra hele det infrarøde område og det synlige område, samtidig med at den opnår effektiv strålingsvarmeafledning inden for to uopdagede bånd.

Den fremstillede prøve fremstår gråblå og udviser lav gennemsnitlig reflektivitet i VIS/NIR-båndene (0,129/0,281). Ved opvarmning til 200°C er prøvens strålingstemperatur (tilsyneladende) under MWIR/LWIR-kameraerne kun 86,3°C/94,7°C. Sammenlignet med referencen sortlegemet er prøvens signalintensitet 39,3% lavere under SWIR-kameraet. Især SWIR-camouflageydelsen demonstreres under solstråling. Ved højere temperaturer udviser prøven mindre signalintensitet end Cr-referencen i alle observationsretninger. Mens den er ved lavere temperaturer, bevarer prøven kanten undtagen i den spejlende reflektionsretning af soludstråling.

Effektiviteten af ​​strålingsvarmeafledning demonstreres ved at udsætte prøven og Cr-referencen for den samme input elektriske varmeeffekt. Ved 20 W indgangseffekt (svarende til en effekttæthed på 2000 Wm ⁻² ), er prøvens overfladetemperatur 174,5°C, hvilket er 14,4°C lavere end Cr-referencens.

Disse lavere overfladetemperaturer hjælper med at reducere termisk belastning og forbedre ydeevnen af ​​MWIR- og LWIR-camouflage.

"Dette arbejde giver en omfattende retningslinje for udvikling af camouflageteknologier, der er kompatible med strålingsvarmeafledning, mod komplicerede signalkilder og multispektrale detektivteknologier," bemærkede forskerne.

"Denne enhed til hel-infrarødt båndcamouflage kan lette applikationer, der kræver sofistikeret spektrummanipulation og stimulere innovative muligheder for moderne termisk styringsteknologier og bidrage til en energieffektiv fremtid," siger de.

Flere oplysninger: Bing Qin et al., Hel-infrarødt bånd-camouflage med dual-band radiativ varmeafledning, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01287-z

Leveret af Chinese Academy of Sciences