覆盖双大气窗口的定向热辐射最新研究

传统的热辐射器，如黑体和白炽灯泡，会在所有方向上均匀发射光谱连续且非偏振的光。这些特性限制了对热辐射光谱和辐射方向的控制，导致能量在不需要的波长和方向上的损失。同时，由于大气窗口是非连续的，为了实现红外热伪装并兼顾热管理，物体需要在3-5 μm中波红外（MWIR）和8-14 μm长波红外（LWIR）双大气窗口内具有低辐射特性，而在5-8μm的非大气窗口内具有高辐射特性以实现有效的同步辐射制冷。目前，研究定向热辐射器件主要可以分为两类。

一类是基于表面等离激元或表面声子激元的光栅结构，但这类器件的定向热辐射特性受工作波长的限制，难以实现覆盖大气窗口的宽带定向热辐射。另一类是基于近零介电常数（ENZ）材料的膜系结构，虽然可以实现宽带定向热辐射，但该方法的工作波长和定向热辐射特性受到自然界中ENZ材料可用性的限制。此外，由于这种宽带特性依赖于多种ENZ材料的叠加，这会导致整个结构的厚度增加，成本更高，制造工艺更复杂。因此，利用简单、可扩展且具有成本效益的材料和结构实现匹配大气窗口(MWIR+LWIR)的超宽带定向热辐射仍然是一个长期存在的挑战。

近日，中国浙江大学光电科学与工程学院李强教授课题组报道了覆盖双大气窗口的定向热辐射的最新研究成果。该团队突破常规思路，超越定向热辐射的窄带制约和材料限制，提出了将亚波长电介质薄膜与辐射衬底结合，利用法布里珀罗腔和布儒斯特效应，制备出了匹配大气窗口(MWIR+LWIR)的超宽带定向热辐射器件。

该定向热辐射器件具有四大特点：（a）超宽带特性：器件在整个中波红外（3-5 μm）和长波红外大气窗口（8-14 μm）都表现出定向热辐射特性。（b）兼容热管理的红外热伪装：器件在中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）双大气窗口内是低辐射（~0.39/0.34）以实现红外热伪装，在5-8 μm非大气窗口范围内是高辐射（~0.75）以实现有效的同步辐射制冷。（c）单层平面结构：器件的制备仅涉及单层薄膜沉积。这种设计不仅降低了制造成本，而且无需光刻，能够实现大规模生产，并提供了设计上的灵活性，可以定制不同形状和尺寸的需求。（d）可见光-红外独立可控的信息加密：可用于实现集成独立可控的可见光-红外信息加密和红外信息防窃功能的器件。

这项研究成果不仅拓展了目前对定向热辐射的认识，也为实现宽带定向热辐射引入了新的思路。该方法也同样适用于硫化物、氧化物等其它材料体系，具有极好的扩展性，将有力推动红外热伪装、信息加密、辐射制冷等领域的发展。

这项研究的第一作者为博士研究生应云斌为，通讯作者为李强教授，西湖大学仇旻教授对本论文提供指导。

编辑：黄飞