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1.文章导读

中长波红外双波段探测技术具有多波段信息融合、抗干扰能力强、识别精度高的突出优势，在精确制导、遥感监测与安防侦察等关键领域应用广泛。作为探测系统的“眼睛”，具有表面增透微孔的双波段窗口能够进一步提升系统的探测性能。然而，要在百毫米级大口径窗口上，高效且高一致性地加工数十亿个增透微孔，是制约该技术走向大规模应用的制造难题。

近期，中南大学机电工程学院段吉安教授团队通过飞秒激光复刻成型技术，融合机器学习辅助工艺调控，成功在口径100 mm的硫化锌窗口上制造了约70亿个周期性增透微孔，实现了超宽带（3.5–14 μm）和高透过率（>90%）增透窗口的制造突破。相关研究工作，以“Laser-optical-field-modulation fabricating large-aperture dual-band antireflection windows for MWIR and LWIR imaging”为题，发表在《极端制造（英文）》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)期刊上。

 

 

图1. 中长波红外双波段增透窗口的设计、制造及其应用。

2.图文解析（创新研究/研究亮点/研究进展）

本研究的创新之处在于，构建了中长波红外双波段增透窗口的“设计-制造-应用”技术链（图1），为共口径双波段探测提供了技术支撑。研究团队受蝽虫复眼的高光敏性、宽波段视野与热源追踪特性的启发，提出了基于亚波长微结构的双波段增透新思路。通过结合等效介质理论与时域有限差分法，构建了光场仿真模型，系统揭示了微孔结构参数对透射性能的影响规律，获得了宽谱段高透过率的结构参数。在制造层面，以“飞秒激光复刻成型”为核心思想，通过飞秒激光光场调控技术，辅以机器学习优化制造工艺，实现了超大口径增透窗口的高性能、高一致性制造。相较于传统分立式双探测窗口方案，本研究提出的双波段增透窗口在保持优异成像性能的同时，显著提升了探测系统的集成度与结构紧凑性，为新一代集成化红外探测系统的发展提供了重要技术路径（图2）。

图2. 中长波红外双波段增透窗口的工作机制。

面对大面积增透微孔制造中效率与深径比难以兼顾、结构一致性不足的核心难题，本研究搭建了基于飞秒激光光场调制技术的制造系统（图3）。通过突发脉冲串技术，在保持每秒2万孔加工速率的同时，将微孔的深径比提升了7倍，突破了效率与质量的矛盾。针对窗口面型误差、平台运动误差以及环境因素导致的聚焦位置波动，利用贝塞尔光束构建宽容度极高的“加工走廊”，使微孔在8 μm的焦点偏移范围内形貌误差仍低于300 nm，保障了大幅面约70亿微孔的一致性。此外，还结合机器学习构建了工艺-性能预测模型（图4），大幅缩减了增透窗口的制造工艺迭代周期，实现了高性能增透窗口的高效、精准制造。

图3. 飞秒激光复刻成型技术制造高质量增透微孔。

图4. 机器学习技术辅助增透窗口的性能预测和制造工艺优化

双波段增透窗口在光学性能、环境耐久性及实际成像应用中均展现出卓越表现（图5）。测试结果表明，双波段增透窗口具有超宽带（3.5–14 μm）和高透射性能（最高91.1%），显著超越了未处理的硫化锌基底（~75%）。此外，增透微结构还赋予了窗口表面优异的自清洁特性、耐磨损和抗干扰（如灰尘、水雾、热冲击）能力，确保了其在恶劣工况下的长效稳定运行。在红外成像应用中（图6），双波段成像“强强联合”，实现了信息互补。在存在遮挡物、雨雾天气等复杂条件下，仍然具有较高的目标识别精度，充分验证了双波段增透窗口在提升红外探测性能方面的巨大潜力。

图5. 双波段增透窗口的光学透过率、自清洁、耐磨性及抗干扰性能测试。

图6. 在极端复杂环境中，双波段增透窗口的红外成像应用。