作者

丁玉龙，王聪，贾贤石，刘林鹏，高政，江翔，王世钰，阎德劲，林奈，李洲，段吉安

机构

中南大学，中国电子科技集团公司第十研究所

Citaion

Ding Y L et al. 2026. Laser-optical-field-modulation fabricating large-aperture dual-band antireflection windows for MWIR and LWIR imaging. Int. J. Extrem. Manuf. 8 025004.

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DOI: 10.1088/2631-7990/ae2074

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、制造及应用。

图文解析

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。

作者与团队简介

段吉安

中南大学

段吉安，中南大学机电工程学院院长，极端服役性能精准制造全国重点实验室主任，国家高层次人才，教育部创新团队带头人；教育部第七届科技委学部委员，国务院学位委员会机械学科评议组成员；中国机械工程学会微纳米技术分会委员。长期从事光电子器件制造、超快激光制造等方面研究。承担国家重点研发计划、973、863、国家自然科学基金重点项目等国家项目10余项。研发了阵列型、同轴型、碟型、BOX型、COB型等光电子器件的亚微米精度耦合封装工艺与设备，广泛应用于光电子器件制造企业并出口韩国；研制了大功率激光器耦合封装的成套装备与工艺，广泛应用于光纤激光器制造企业；开发了一体化光学构件的超快激光制造技术与装备。获湖南省技术发明一等奖、科技进步一等奖各1项。发表SCI/EI论文150余篇，授权国家发明专利100余项。

王聪

中南大学

王聪，中南大学机电工程学院教授、博导，师从姜澜院士，主要研究方向为超快激光微纳制造。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等项目。国家级高层次青年人才、全球前2%顶尖科学家、湖南省优秀青年科学基金获得者、芙蓉计划“湖湘青年英才”、青年科技人才，获中国光学工程学会自然科学奖、中国电子科技集团技术进步奖、“上银优博”铜奖等奖励。以第一/通讯作者在Int. J. Extreme Manuf.、Mat. Sci. Eng. R、Adv. Funct. Mater.等国际著名期刊上发表SCI论文60余篇，入选ESI热点论文1篇、高被引论文7篇、封面论文2篇；申请/授权国家发明专利38项、软件著作权13项；特邀报告7次。担任中国工程院机械与运载工程学部评估咨询专家、国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项青年专家；担任Nanomaterials、Photonics、Current Physics等国际主流期刊编辑委员会委员、评审/客座编辑等。

贾贤石

中南大学

贾贤石，中南大学机电工程学院副教授、硕导，主要研究方向为超快激光微纳制造；主持国家自然科学基金、基础科研计划重大项目课题，参与国家重点研发计划项目等；作为主要完成人，获中国光学工程学会自然科学奖；以第一/通讯作者在International Journal of Extreme Manufacturing、Opto-Electronic Advances、Light: Advanced Manufacturing等国际期刊发表论文多篇，申请/授权国家发明专利30余项。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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