Nano Lett.: 利用布里渊区折叠诱导的准束缚模实现超高相干热辐射源

论文信息：

Kaili Sun, Uriel Levy and Zhanghua Han, Exploiting Zone-Folding Induced Quasi-Bound Modes to Achieve Highly Coherent Thermal Emissions, Nano Letters (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04587

导读

近日，山东师范大学韩张华教授课题组提出一种利用布里渊区折叠诱导的准束缚模来实现超高相干热发射的方法，相关成果以“Exploiting Zone-Folding Induced Quasi-Bound Modes to Achieve Highly Coherent Thermal Emissions”为题发表在《Nano Letters》上。博士生孙开礼为论文第一作者，韩张华教授为论文通讯作者，合作者还包括以色列耶路撒冷希伯来大学的Uriel Levy教授。

研究背景

众所周知，热发射是由物体中的各种热波动引起的，因此是宽带的、全向的，通常被认为是非相干的。如何使用人工方法选择性地增强规则热发射中的特定过程，以最终实现具有受控特性的辐射输出，例如光谱带宽、光束轮廓、空间分布、偏振等，代表了一种新的研究范式。近些年，人们对开发基于不同物理概念的各种人工微结构以实现具有光谱选择性（时间相干性）和方向控制（空间相干性）的热发射表现出越来越浓厚的兴趣。例如，基于表面声子极化的概念被广泛用于实现相干光源，但只能工作在“Reststrahlen band”的极其有限的波长范围。由金属-绝缘体-金属（MIM）组成的三明治结构支持的局域等离子体共振也被广泛使用，但是由于金属的高固有损耗，导致相干性极差。

近年来，准连续域中束缚态（QBIC）的概念因其能够实现超窄的共振线宽而被人们广泛关注。基于此，作者先前在理论和实验上实现了超高时间相干热发射（Nanophotonics. 10(16): 4035–4043(2021)，Int. Commun. Heat Mass Transfer. 143 106728 (2023)），为下一代非色散红外（NDIR）系统等应用提供了优异的光源。而对于具有空间相干需求的热辐射源来说，尤其法向输出，光锥下方具有天然陡峭色散分布的导模（GM）表现出极其显著的优势（Phys. Rev. Appl. 20(2), 024033 (2023)）。

研究内容

热辐射源工作原理如图 1 所示 , 在实际应用中，当电流施加到底部金属层以用作焦耳加热器时，热激发的带电粒子在材料中产生随机取向的偶极子，并且耦合到由上层结构支撑的非局域高 Q 共振模式。最终，相干光在想要的波长位置以显著增强的方式辐射。

图 1. 热辐射源结构示意图

然而，在实验中，由于材料不可忽略的吸收损耗，在实现高 Q 发射 的同时，不可避免的要使用高对比度光栅的设计来更大范围的调控辐射损耗，从而将 Q rad 匹配 Q abs 来实现高发射率。但是，这种周期性的调制导致两个反向传播模式之间较大的耦合，在第一布里渊区（ FBZ ）边界处产生较大的带隙 ( 意味着大范围波矢内的平坦色散 ) 。当对周期进行扰动后（周期倍增或者三倍增加）， FBZ 收缩， GM 被 折叠到光锥的上方形成高 Q 准导模（ QGM ），如图 2(b) 或 (c) 。其继承了原始 GM 的陡峭色散，并且整条带上的 Q 因子都能够被灵活调节。

图2.不同微扰下FBZ及能带变化的示意图

重要的是，本研究中三元光栅的设计极其重要，该系统在实现高 Q 因子 QGM 的同时能够将原始 FBZ 边界处大的能谱间隙移到新系统的 FBZ 边界处，原 k = 2π/3P 处陡峭且连续分布的 GM 出现在 Γ 点，从而法向输出对应的 频率仅仅出现在极小的 Δk 范围内，这是实现超高相干热发射的关键。作者理论分析和实验验证了该热辐射源的各项优异的特性（时间相干、空间相干、偏振依赖、单色性，光谱可调等等）。重要的是，通过计算，其法向输出的空间相干长度能够达到 0.491mm ，如果使用单晶 Ge 和 ZnS ，并结合低对比度光栅的设计，法向输出的空间相干长度能够达到 1.327cm 。

图3.热辐射源的光谱结果

结论与展望

总之，该MIR热辐射源基于三元光栅中的带折叠效应，在Γ点附近实现了极小能谱间隙和非圆滑色散的高Q因子QGM，此外，还具有线偏振输出、光谱可调等特性。这种结构简单、性能优异的热辐射源有望成为下一代NDIR传感系统等应用中的重要组成部分。

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