Nano Letters：突破传统彩虹效应——三元光栅实现高相干热发射

论文信息：

K.Wang, K. Sun, Q. Ding, L. Zeng, J. Du, Z. Han, L. Huang, W. Wang, High-Q Resonance Engineering in Momentum Space for Highly Coherent and Rainbow-Free Thermal Emission , Nano Letters (2025).

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06565

导读

近日，四川大学王卫、山东师大韩张华以及华东师大黄陆军合作研究团队提出一种利用准连续域中束缚态（QBIC）的原理，通过对三元光栅结构中带折叠和对称性破缺的精细调控，实现了既具有高时空相干性，同时有效消除了传统热发射器件中的“彩虹效应”。相关成果以 “High-Q Resonance Engineering in Momentum Space for Highly Coherent and Rainbow-Free Thermal Emission" 为题发表在国际著名期刊《Nano Letters》上。四川大学2023级大二本科生王柯人和山东师大2022级博士生孙开礼为论文共同第一作者, 王卫教授, 韩张华教授, 黄陆军教授为论文共同通讯作者。

研究背景

传统黑体辐射具有宽带、非相干的特性，但在红外成像、气体传感等应用中，高时空相干性的热源需求迫切。尽管基于超表面的热发射调控取得进展，但现有方案往往无法兼顾高Q值 (窄带宽) 和高方向性发射——要么受限于金属损耗导致Q值不足，要么因能带色散引入“彩虹效应”。如何实现类似激光的无彩虹效应的高相干热源，成为亟待解决的难题。

研究内容

研究团队 提出 基于连续域束缚态（BIC）与能带工程 的创新方案，通过 三元光栅结构 实现了中心波长6.5 μm、 23 nm超窄带宽 （ Q ~280） 及2°角域内的完美 -无彩虹效应 热发射 。核心突破在于：

1. BIC调控：利用Γ点的对称性保护BIC模式，通过对称破缺将其转化为准BIC（QBIC），在保持高Q值的同时实现热辐射临界耦合。

2. 能带工程：通过布里渊区折叠产生可控Q因子的准导模（QGM），并引入低Q法布里-珀罗（FP）模式耦合，抑制非Γ点模式的辐射效率。

3. 时域耦合模理论（TCMT）：揭示不同模式间的远场耦合机制，通过结构优化消除杂散模式，最终实现Γ点孤立发射。

图文导读

图1：对比展示了不同热发射器设计方案的优缺点。图中（a）展示了高时空相干性设计中存在的彩虹效应；（b）则呈现了虽然消除了彩虹效应但空间相干性较差的案例；（c）直观说明了本研究实现的孤立式高相干热发射设计，既保持了高相干性又有效抑制了彩虹效应。

图2：详细说明了三元光栅结构的设计原理。左图为结构示意图，标注了关键几何参数及中央脊宽变化和横向位移δ的引入；中图展示了经过周期扰动后能带的折叠过程以及给出了模拟的横截面电场分布，清晰呈现了两种准导模与中央低Q FP模式的耦合关系。右展示了RCWA仿真的角度分辨热辐射光谱, 呈现出独特的孤立发射特征.

图3：以扫描电镜（SEM）图像和热发射测试结果为主，展示了样品的顶视图和截面形貌，同时给出在不同温度下归一化后的热发射光谱，验证了设计在实际制备中的可行性及温度调控效应。

图4：呈现角分辨热发射测量系统及其测试结果。图中（a）展示了实验角分辨测量装置的搭建方案；（b）则显示了在不同入射角下热发射谱线的变化，证明在接近0°时达到峰值发射，而随角度增大，发射强度迅速衰减而非偏移，从而证实了高空间相干性及彩虹效应的有效抑制。

结论与展望

本研究通过能带拓扑与模式耦合的协同设计，突破了传统热发射器的在相干性和彩虹效应之间的性能瓶颈：

1. 创新机制 ：将BIC的非辐射特性与FP模的宽带耦合结合，兼顾高Q值与方向性。

2. 普适策略 ：提出的辐射 Q值 调控方法可拓展至光子晶体等体系，为相干光源设计提供新范式。

3. 应用前景 ：此类器件在紧凑型红外传感、高分辨率热成像、辐射制冷等领域具有重要潜力。

总之，这项工作为微纳光子器件的性能提升开辟了新路径。未来通过材料优化（如低损耗氮化硅）和二维周期结构设计，有望进一步推动热光子学器件的实用化进程。