结合FP共振和布鲁斯特效应来实现大气窗口定向热辐射

论文信息：

Y. B. Ying, J. B. Yu, B. Qin, M. Zhao, T. Z. Zhou, W. D. Shen, M. Qiu, Q. Li, Directional Thermal Emission Covering Two Atmospheric Windows, Laser & Photonics Reviews, 2300407 (2023).

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202300407

研究背景

控制定向热辐射以匹配超宽带大气窗口是一项长期的科学挑战。本文介绍了一种通过结合法布里-珀罗共振和布鲁斯特效应来实现与大气窗口相匹配的超宽带定向热辐射的策略。该平面系统由辐射基底上的电介质薄膜（Ge）组成，在特定方向（76°-84°）显示出高 p 偏振发射率（> 0.9），覆盖整个大气窗口（3-5 和 8-14 µm），在非大气窗口（5-8 µm）显示出高全向发射率（> 0.7），可同时实现高效辐射冷却。此外，它还能集成独立的双波段（可见光-红外）信息加密和红外信息防窥探功能。这种方法为利用平面薄膜控制热辐射提供了独特的见解，在伪装、热管理和加密方面具有广泛的应用前景。

研究内容

1.介绍

温度超过绝对零度的物体会因粒子和准粒子的热感应运动而产生热辐射。传统的热辐射体，如黑体和白炽灯泡，会产生连续、全向和非偏振的光谱光。这些特性妨碍了对热辐射的控制，尤其是对其光谱和角度分布的控制，从而导致在不需要的波长和方向上的能量损失。如图 1a 底部所示，超宽带大气透射窗口是不连续的，这就要求在 3-5 μm 中波长红外（MWIR）和 8-14 μm 长波长红外（LWIR）波段具有低发射率，以实现红外伪装，而在非大气窗口（5-8 μm）具有高发射率，以同时实现高效辐射冷却。因此，人们对调节热辐射的光谱范围和方向越来越感兴趣，以便与大气传输窗口（MWIR+LWIR）相匹配，用于各种应用，包括红外伪装、辐射冷却和信息加密。

人们已经探索了几种用于定向热发射的纳米光子结构，一种是基于表面等离子体极化基元或表面声子极化基元的光栅结构，另一种是基于ε-近零（ENZ）材料的薄膜结构。但两种方法都有其局限性。在此提出了一种策略，通过结合法布里-佩罗共振和布鲁斯特效应，实现与大气窗口（MWIR+LWIR）相匹配的超宽带定向热发射。拟议的热发射器由辐射基底上的电介质薄膜（Ge）组成，具有以下几个独特的优点：（a）超宽带定向热发射：（b）具有热管理功能的红外伪装：在大气窗口（MWIR/LWIR）内具有低发射率（≈0.39/0.34），可用于红外伪装；在非大气窗口内具有高发射率（≈0.75），可用于红外伪装。（c）单层平面结构：它易于通过薄膜沉积制造，无需光刻即可实现低成本大规模生产，并可灵活设计定制的形状和尺寸：它集成了独立的双波段（可见光-红外）信息加密和红外信息防窥探功能。

2.结果与讨论

2.1.超宽带定向热发射原理

在这项研究中，利用由辐射基底上的薄介电薄膜组成的平面系统，实现了与大气透射窗（MWIR+LWIR）相匹配的超宽带定向热发射 （图 1）。辐射基底可以是有损电介质材料、高分子聚合物等。此外，布儒斯特效应还为特定角度（称为布儒斯特角）的 p 偏振光提供了一个无反射透射窗口。

实现与大气窗口（MWIR+LWIR）相匹配的超宽带定向热发射的基本设计原理是基于 FP 共振和布儒斯特效应的结合。在这个平面系统中，来自辐射基底（图 1b,c 左侧）的正常发射，对应于第一FP模式和第二FP模式（图 1b,c 中间），无法穿透电介质薄膜。然而，介于第一FP模式和第二FP模式之间波长带的发射可以穿透电介质膜，从而产生波长选择性宽带发射。此外，只有 p 极化发射可以通过布鲁斯特角的无反射透射窗口辐射到自由空间，从而产生超宽带定向热发射（图 1b 右侧）。如图 1c（右图）所示，随角度变化的整个发射率光谱可分为两个区域：（1）热伪装区，发射率低于 0.5，可抵御热成像仪；（2）辐射冷却区，发射率大于 0.5，可向周围环境辐射热量。总之，所提出的平面系统可实现与大气窗口（MWIR+LWIR）相匹配的超宽带定向热发射，可用于辐射冷却的热伪装。

图1：与大气传输窗口匹配的超宽带定向热发射。（a）常规热发射通常是连续的、全向的，并且在整个光谱上是非偏振的。在大气透射窗口工作的现有定向热发射器的比较（蓝色）。应用热管理红外伪装的理想发射率光谱（黑色）。A和NA是分别对应于大气窗口（3-5μm MWIR和8-14μm LWIR）和非大气窗口（5-8μm）的波段；（b、 c）与大气窗口匹配的超宽带定向热发射（MWIR+LWIR）的示意图。平面系统由辐射衬底上的薄介电膜组成。辐射基底的行为就像一个黑体，在所有方向上以所有波长发射光（左）。四分之一波长介电膜及其模拟的p偏振随角度变化的反射率谱。

2.2.超宽带定向热发射设计

超宽带定向热发射器的模拟模型如 图 2a 所示。根据基尔霍夫定律，样品的吸收率等同于热平衡时的发射率。在这里，出色的定向热辐射意味着在法线角上的低辐射和布鲁斯特角上的高辐射。对于给定的 Ge 薄膜和辐射基底，超宽带定向热发射器可选择性地在第一和第二 FP 模式之间的波长范围内发射光线，如随角度变化的模拟发射率光谱所示 （图 2b）。此外，由于 FP 共振和布儒斯特效应的协同作用，发射器在大角度（布儒斯特角附近）选择性地辐射 p 偏振光。在 12 μm 和 4 μm 处，分别对应于第一和第二 FP 模式的中心波长，超宽带定向热发射器表现出极佳的方向性，在布儒斯特角处实现了 p 偏振的单位发射率 （图 2c 中的蓝线和红线）。相反，在 6.5 μm 处实现了全向热发射 （图 2c 中的绿线）。一方面，由于 FP 共振不连续，连续宽带热发射受到限制；另一方面，这一特性对于应用具有热管理功能的红外伪装来说是一个优势。

实现超宽带定向热发射的影响因素可归纳如下。对于给定的辐射基底，布鲁斯特角、法向发射率和介质膜折射率之间的关系可通过公式计算得出 （图 2d）。随着电介质膜折射率的增加，法向发射率会降低到接近零，而在布儒斯特角附近始终存在单位发射率，这表明在高折射率下热辐射具有良好的方向性（图 2d 中的蓝线）。然而，随着电介质薄膜折射率的增加，布儒斯特角接近掠角（90°） （图 2d 中的红线）。因此，在选择材料时需要权衡利弊，以便在相对较小的发射角上实现出色的定向热发射。在这种情况下，采用折射率相对较高的 Ge 作为无损电介质膜。

此外，还研究了辐射基底对超宽带定向热发射设备性能的影响。计算得出的法向发射率随着辐射基底折射率的降低而降低 （图 2e）。因此，可以使用折射率较低的材料作为辐射基底，以实现出色的定向热发射。此外， 图 2f 描绘了给定电介质薄膜的布氏角、折射率和辐射基底的消光系数（ ns和 ks）之间的关系。结果表明，所提出的热发射装置的方向性对辐射基底的消光系数不敏感，这表明它与各种辐射基底材料具有良好的兼容性。同时，对于折射率较高的介质薄膜和折射率较低的基底，可以在较宽的波段（8-30 μm）上实现高方向性热发射。

图2：超宽带定向热发射体的设计。（a）超宽带定向辐射体的仿真模型。（b） p偏振态下超宽带定向热发射器的模拟发射率谱随角度变化。（c）超宽带定向热发射器在波长分别为4、6.5和12μm时的模拟定向发射率随发射角变化。（d）对于给定的辐射基底，布儒斯特角、法向发射率和折射率nd之间的关系。（e）对于折射率为nd=4的给定介电膜，在波长为12μm时，作为辐射基底的消光系数（ns和ks）函数的计算法向发射率图。（f）对于给定的折射率为nd=4的介电膜，在波长为12μm时，计算的布鲁斯特角作为ns和ks的函数的映射。请注意，当ns+iks→ 1时，紫色的恒星显示布鲁斯特角B→tan-1nd。

2.3.超宽带定向热发射实验演示

如扫描电子显微镜图像 （图 3a）所示，超宽带定向热发射器是通过磁控溅射法将 Ge 薄膜沉积在柔性聚醚酰亚胺基底上制成的。为了验证超宽带定向热发射器的性能，使用傅立叶变换红外光谱仪测量了随角度变化的发射率光谱。在特定方向（76°-84°）上的 p 偏振实验发射率光谱显示出高发射率（> 0.9），覆盖了整个中红外大气窗口（3-5 和 8-14 μm） （图 3b）。同时，非大气窗口（5-8 μm）的高发射不受角度和偏振的影响，因此适合高效辐射冷却。尽管由于大气中水蒸气和二氧化碳的吸收，测量到的发射率光谱存在噪声，但在整个 3-14 μm 波段，测量结果与模拟结果显示出良好的一致性（图 3b、c）。

为了直观地观察中波红外和低波红外波段的定向辐射，使用红外摄像机（波长范围分别为 3-5 μm 和 8-14 μm）在不同的发射角进行了直接辐射测量 （图 4c 和 3d-h）。在 0° 发射角时，超宽带定向热发射器的辐射强度很低（ ≈ 0.1），与铝片的辐射强度相似 （图 3e、f）。然而，在发射角为 80° 时，其辐射强度明显增加，并与黑体的辐射强度相当（ ≈ 0.95） （图 3g,h）。这一行为表明，超宽带定向热发射器可以有效地向目标方向辐射能量，同时最大限度地减少其他方向的能量浪费。通过调整发射角，方向发射率可在 <0.4->0.9 的范围内改变，因此，当红外探测器固定时，通过调整热发射器的方向，红外信号强度可设计为与不同背景（从金属到黑体）相匹配。因此，发射器可以在各种不同的情况下显示出良好的热伪装性能。此外，超宽带定向热发射器在整个中波红外和低波红外波段几乎没有 s 偏振发射，这表明它具有良好的偏振选择性。此外，利用空心微腔的三维特性，还可以实现两种极化的定向热发射。

图3：超宽带定向热发射的实验演示。（a）制作的超宽带定向发射体的扫描电子显微镜图像，包括材料和层厚度。从SEM的角度来看，样品是倾斜的。（b，c）测量和模拟的p偏振超宽带定向热发射器的发射率光谱随角度变化。（d）超宽带定向热发射器的可见光成像。铝片( ≈ 0.1）和黑体( ≈ 0.95）用作放置在发射器旁边的参考。（e–h）超宽带定向热发射器在0°和80°发射角的p偏振光中的红外热成像（MWIR和LWIR波段）。

结论与展望

总之，提出并通过实验验证了一种策略，即在辐射基底上沉积一层电介质薄膜，以实现与大气窗口（MWIR+LWIR）相匹配的超宽带定向热发射。该系统是一种简单、实用、经济高效的解决方案，其功能和性能指标超过或达到了定向热发射技术的先进水平。第一，单层薄膜可以在各种柔性或刚性耐高温基底上以低成本大规模生产。第二，波长选择性的控制取决于FP谐振，这允许通过调节介电膜的厚度来调谐光谱范围。第三，角度选择性的控制取决于布鲁斯特效应，而布鲁斯特效应仅限于大发射角，因此在小发射角实现宽带定向热发射仍是热发射领域的一项挑战。此外，发射器还可以作为加密基板，集成独立的双波段（可见光-红外）信息加密和红外信息防窥探功能。最终，相信它有望应用于热源、伪装、加密和能源管理等多个领域。

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