上海光学精密机械研究所----上海光机所在谱线解耦红外防伪超构薄膜标签方面取得进展

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上海光机所在谱线解耦红外防伪超构薄膜标签方面取得进展

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部邵建达研究团队在谱线解耦红外光学防伪超构薄膜标签方面取得新进展，相关研究成果以“Spectrally decoupled, mechanically robust infrared anti-counterfeiting bilayer metafilm labels”为题发表于Materials Today Physics。

可见光与长波红外双通道光学防伪在安全标签、包装认证和多级信息加密等领域具有重要应用价值。实际应用要求防伪标签兼具可见/长波红外信息独立编码、低串扰、超薄厚度、低成本规模化制备和机械鲁棒性。传统红外防伪技术多依赖超构表面、相变材料、激光图案化结构或复杂多层薄膜堆叠，存在结构复杂、制备步骤多、成本较高和大面积制造困难等问题，且部分方案对角度和偏振敏感，机械耐久性也缺乏系统验证。尤其是在双层薄膜结构中实现无串扰的长波红外图案更具挑战，因为红外发射率调制必须足够大以支持热成像，同时对应的可见光对比又必须保持隐蔽。

针对上述问题，研究团队发现同种薄膜材料在不同波段达到反射所需要的厚度是不同的，根据光学趋肤效应存在一个厚度窗口：在该窗口内，可见光反射已对Cr厚度变化不敏感，而长波红外响应仍显著依赖Cr厚度，这为双波段光谱解耦调控提供了关键物理窗口。

图1 基于金属厚度窗口实现双波段成像的设计理念与工作原理示意图

基于这一厚度窗口，研究团队设计了Cr/ZnS双层超构薄膜标签。在可见光波段，ZnS厚度变化改变非对称损耗Cr/ZnS腔的干涉条件，产生可调结构色，色域约55% sRGB；在长波红外波段，Cr厚度通过色散光学穿透深度和趋肤效应调控完整支撑结构的有效发射率。研究人员将70 nm和135 nm Cr与60 nm ZnS组成代表性编码单元，二者可见光反射光谱几乎重合、光谱差异低于0.01，而长波红外有效发射率对比足以被热像仪清晰读取；当Cr厚度超过约75 nm后，前侧可见光反射进入厚度不敏感区，而长波红外响应仍保持可区分。器件制备仅需掩膜辅助热蒸发物理气相沉积，无需光刻或激光加工，总功能厚度低于300 nm。角度与偏振测试表明，器件在70°入射角内保持稳定，且对TM/TE偏振不敏感。基于该结构，团队在刚性Si和柔性PI基底上实现了可见光/长波红外双通道独立成像，柔性防伪标签的红外图案内外温差超过2°C。

图2 红外防伪标签获得的可见与长波红外的视觉效果

进一步地，研究团队对防伪标签的机械鲁棒性进行了系统评估。1000次弯曲循环后，样品可见光外观和双波段光学响应基本保持，SEM观察仅检测到少量微裂纹且未显著影响性能；ZnS表面莫氏硬度达4–5，高于传统ZnS薄膜的约3，Cr层莫氏硬度高于8；纳米压痕测试中，CMY区有效硬度约3.3–4.0 GPa，Cr区约8.1–9.6 GPa，表明薄膜/基底复合体系在局部变形下仍保持稳定的机械响应。该方案不仅实现了可见光与长波红外的光谱解耦和独立信息编码，同时为多波段光谱调控提供了一条便捷高效的路径。