一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面及制备方法

本发明属于微纳光子器件，具体涉及一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面及制备方法。

背景技术：

1、为了满足航空航天、能源和军事等重要设备对高性能热传导、辐射、转换等热功能的迫切需求，以及近年红外测量设备和技术不断进步，红外波段的热伪装技术引起了越来越多的关注。根据普朗克黑体定律，热辐射是任何物体温度高于绝对零时对外辐射的热量，而且热辐射强度正比于物体的表面辐射率以及表面温度的四次方，高温物体的红外信号相较一般物体更加强烈，红外隐身的难度也更大。因此，热伪装技术根本问题主要是控制温度和表面辐射率两种。首先，温度控制是一种最直接但困难的方法，因为它需要额外的冷却或加热设备，特别是对于高速转动的机械动力源(如航空发动机)，其高温发热不能根本地降低。相比之下，控制表面辐射率是一种更简单有效的方式，只要在物体上覆盖低辐射率材料(涂层)或加工表面微结构就能够有效地抑制热辐射信号。

2、热伪装方法分别热隐身和热幻象两种，前者是使目标隐藏在环境中，降低被发现和识别的概率，例如隐身斗篷；后者是人为地构造虚假的目标，以混淆欺骗为目的，提高真目标的生存概率。传统的热隐身材料是具有超宽带低辐射率的金属材料，或者是金属颗粒涂料。然而，镜面抛光的金属表面容易被各种的多波段(如激光雷达、视觉)检测技术所识破。另一种普遍的方法是基于亚波长结构的薄膜/超表面，利用红外波与微纳结构的电磁谐振实现辐射率的调控。金属涂料和亚波长结构的关键性缺点是不能局域调控微小区域的热辐射率，并存在大面积的制备困难、成本高昂，以及较低机械耐磨性等问题。另一方面，热幻象的本质就是设计红外的热成像图案，同时要求该图案在其他波段(如可见光波段)中隐藏或者不可被识别的，然而同类的热幻象表面结构的制备方法是机械加工、多层膜套刻和亚波长光子晶体结构等，存在加工过程复杂、加工精度低和热成像图案分辨率低等问题。特别地，在高温装备的金属表面上薄膜或涂层材料的粘附性低，容易磨损以致功能失效。红外加密的实现方法与热幻象一样，同样是人造的热红外图案，应用场景改为数据加密领域。

3、综上所述，现有热伪装的主要采用薄膜或者亚波长结构，它们不足主要包括是均匀单一的热辐射特性、角度依赖性和不能直接在体材料(金属材料)上制备。

技术实现思路

1、为了解决现存热伪装结构的局域热辐射调控的加工过程复杂、空间分辨率低和金属材料的兼容性差等问题，如何直接在高温装备的金属材料表面上制造高效稳定的热辐射功能界面微纳结构成为关键技术问题。由此，本发明提出了一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面及制备方法，基于微腔局域热辐射超表面设计，并利用激光烧蚀的减材加工方法，对每个超表面单元进行独立的调控，制造出局域热辐射可调的高分辨率热幻象或红外加密表面。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，由周期性排布于金属材料表面上的深孔结构组成；所述深孔的形状为旋转对称性结构，至少存在两种不同的热辐射率，所述热辐射率通过控制深孔空腔的深宽比进行独立调控。

4、进一步地，所述的深孔为盲孔结构，采用圆柱形、圆锥形、圆台形中的一种或多种。

5、进一步地，所述的周期排布形式采用网格形或蜂窝形。

6、进一步地，所述的金属材料表面为平面或自由曲面。

7、进一步地，通过控制深孔空腔的深宽比独立调控深孔的热辐射率时，固定深孔的上开口直径一致，仅改变深度或深孔形状，即可以通过组合使用多种孔形状(如圆柱形、圆锥形、圆台形)和不同的深度实现热辐射率的调控。

8、进一步地，深孔空腔的深宽比越大，热辐射率越高，热辐射率的调控范围为[ε0,1]，其中ε0表示深孔空腔内表面的热辐射率。

9、进一步地，热辐射微孔超表面上的至少两种不同热辐射率的深孔组合得到热幻象或者红外加密图案。

10、上述热辐射微孔超表面的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤一：将金属材料样品固定在三轴位移台上，设置激光偏振态并对焦；

12、步骤二：根据预先设计的周期性排布于金属材料表面上的深孔结构尺寸，调整激光扫描加工参数，包括能量密度、扫描速度、加工层数；

13、步骤三：将激光对准金属材料样品表面的待加工区域，打开高压空气气阀，使高压空气喷嘴对准待加工区域；

14、步骤四：激光扫描一层后，激光焦点沿光轴方向移动，使焦点下移，所述焦点下移的进给量等于每层加工深度，循环加工直至完成预设加工层数；

15、步骤五：关闭高压空气气阀，取出金属材料样品；

16、步骤六：对金属材料样品进行超声清洗，得到热辐射微孔超表面。

17、进一步地，激光扫描加工过程采用基于振镜扫描的激光加工光路系统实现，所述激光加工光路系统包括偏振片、半波片、四分之一波片、振镜、聚焦透镜、三轴位移台和高压空气喷嘴；所述偏振片、半波片、四分之一波片、振镜、聚焦透镜依次沿激光光路布置，高压空气喷嘴安装在三轴位移台一侧，通过振镜的运动控制激光聚焦在固定于三轴位移台上的金属材料样品表面的待加工区域。

18、上述的热辐射微孔超表面在热伪装和红外加密技术中的应用，将周期性排布的深孔结构形成的图案加工在需要热伪装或红外加密的金属材料表面，所述图案在可见光下隐身且在红外光下可见，利用了可见光图像中不能分辨不同深度的孔的原理，通过不同热辐射率的周期性排布的深孔组合成可见光隐身且红外多级辐射温度的红外图案，实现局域热辐射率调控和高分辨率的红外成像。优选的，所述金属材料适用于高温环境下。

19、本发明具备的有益效果是：

20、1.本发明设计了高空间分辨率和局域可调的热辐射微孔超表面，其最高空间分辨率取决于超表面单元的周期大小和激光加工的光斑大小，热辐射率可调幅度取决于激光加工孔的几何尺寸。此外，每个超表面单元由旋转对称性的圆孔组成，可实现宽带宽角的热辐射特性。

21、2.本发明提出利用激光加工方法制备该热辐射微孔超表面，具有非接触式、无掩模、单步和可重复等特点。相比传统的热辐射超表面制备方案，本发明无需复杂的半导工艺过程，能够直接在金属材料表面加工，易于加工在高温发热装备表面上。

22、3.本发明设计的局域可调的热辐射微孔超表面可面向热隐身和红外加密的应用，相比现有技术，该方法最大特点是能够在金属材料表面进行制备，工艺简单，期望能直接在航空航天和高温发热装备的表面上制备，实现环保节能的红外加密或者热隐身。

技术特征：

1.一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，由周期性排布于金属材料表面上的深孔结构组成；所述深孔的形状为旋转对称性结构，至少存在两种不同的热辐射率，所述热辐射率通过控制深孔空腔的深宽比进行独立调控。

2.根据权利要求1所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，所述的深孔为盲孔结构，采用圆柱形、圆锥形、圆台形中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，所述的周期排布形式采用网格形或蜂窝形。

4.根据权利要求1所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，所述的金属材料表面为平面或自由曲面。

5.根据权利要求1所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，通过控制深孔空腔的深宽比独立调控深孔的热辐射率时，固定深孔的上开口直径一致，仅改变深度或深孔形状。

6.根据权利要求5所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，深孔空腔的深宽比越大，热辐射率越高，热辐射率的调控范围为[ε0,1]，其中ε0表示深孔空腔内表面的热辐射率。

7.根据权利要求1所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面，其特征在于，热辐射微孔超表面上的至少两种不同热辐射率的深孔组合得到热幻象或者红外加密图案。

8.权利要求1-7任一项所述的热辐射微孔超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面的制备方法，其特征在于，激光扫描加工过程采用基于振镜扫描的激光加工光路系统实现，所述激光加工光路系统包括偏振片、半波片、四分之一波片、振镜、聚焦透镜、三轴位移台和高压空气喷嘴；所述偏振片、半波片、四分之一波片、振镜、聚焦透镜依次沿激光光路布置，高压空气喷嘴安装在三轴位移台一侧，通过振镜的运动控制激光聚焦在固定于三轴位移台上的金属材料样品表面的待加工区域。

10.权利要求1-7任一项所述的热辐射微孔超表面在热伪装和红外加密技术中的应用，其特征在于，将周期性排布的深孔结构形成的图案加工在需要热伪装或红外加密的金属材料表面，所述图案在可见光下隐身且在红外光下可见。

技术总结本发明提出了一种热伪装和红外加密用的热辐射微孔超表面及制备方法，属于微纳光子器件技术领域。热辐射微孔超表面由周期性排布于金属材料表面上的深孔结构组成；深孔的形状为旋转对称性结构，至少存在两种不同的热辐射率，热辐射率通过控制深孔空腔的深宽比进行独立调控。热辐射微孔超表面的激光扫描加工过程可采用基于振镜扫描的激光加工光路系统实现，制备得到的热辐射微孔超表面可应用于热伪装和红外加密技术，将周期性排布的深孔结构形成的图案加工在需要热伪装或红外加密的金属材料表面，图案在可见光下隐身且在红外光下可见。本发明设计并制备得到了高分辨率的局域热辐射可调的热辐射微孔超表面，可在热伪装和红外加密领域得到广泛应用。技术研发人员：吴重光,马云贵,陈远流受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5