文献前沿丨Nano Letters：基于动量空间内高品质谐振实现单色定向热辐射

热辐射通常具有宽谱和非相干的特征，如何实现高相干性并消除彩虹效应一直是研究热点。近日，四川大学王卫教授团队提出一种在动量空间实现高Q共振工程的新方法，实现了高时间相干性和空间相干性，同时有效抑制了彩虹效应。该研究利用连续谱束缚态（BIC）在Γ点的独立特性，在时域耦合模理论（TCMT）框架下，通过调控远场耦合模式的不同偏振通道，显著降低了Γ点之外模式的品质因子（Q因子），有效抑制了彩虹效应（多频谱效应）。团队设计并实验验证了一种三元光栅结构，成功实现了中心波长为6.5 μm，带宽仅为23 nm，角度范围小于2°的高度定向、无彩虹效应的热辐射源。相关工作以High‑Q Resonance Engineering in Momentum Space for Highly Coherent and Rainbow-Free Thermal Emission为题发表在Nano Letter期刊。

本研究提出了一种基于动量空间高Q因子共振工程的无彩虹效应、空间与时间高相干性的热辐射器件，并设计了如图1所示的三元微纳光栅结构，通过连续谱束缚态与准导模的协同作用，实现了在中红外波段下超窄带、高度相干的热辐射发射特性（图2）。该器件通过引入结构性的不对称扰动，精确调控了模式的辐射品质因子和吸收品质因子，使其满足临界耦合条件，从而在垂直方向上实现了极高的辐射效率。进一步地，通过精细的动量空间工程，有效抑制了高阶模态以及远离Γ点处的低品质因子模式的辐射，成功避免了传统高相干热辐射结构中存在的彩虹效应问题（图3）。

实验结果证实，所制备器件在200°C的条件下，辐射峰值位于6.41 μm，带宽仅为23 nm，品质因子达到约280，表现出极高的时间相干性（图3(d)）。同时，该辐射器表现出明显的偏振依赖性，进一步验证了模式的精确选择特性（图3(e)）。通过角分辨的辐射测量，实验进一步证明了该辐射峰值在±2°范围内保持稳定强度，超过该范围后快速减弱，有效证实了空间辐射的高相干性与无彩虹效应的特征（图4）。此外，研究中讨论了器件结构参数对模式品质因子及辐射特性的影响，并优化了结构设计与制作工艺，有效提高了辐射器性能与实际制造的容差。

图1.基于不同物理机制的相干热辐射体的比较；(a)具有高空间和时间相干性但具有彩虹效应的热发射器；(b)时间相干性高但空间相干性差的无彩虹热发射器；(c)具有高度空间和时间一致性的孤立热辐射。

图2.(a)光栅结构示意图，由光栅和金衬底之间的高指数Ge (n = 4.14)和ZnS (n = 2.21)间隔物组成。插图说明了通过改变中心脊的宽度从规则光栅到三元光栅的转变，施加横向位移δ以破坏对称性并在γ点产生QBIC；(b)原始(灰色)和修改(实心)配置的能带结构，显示了类TE极化GM0的折叠以及QGMs和类TM极化FP模式之间的耦合；(c)波矢为0.1 (π/P)时模式的Ez横截面场分布，突出显示两个不同的QGM特征和一个中心FP模式;(d)最终设计显示孤立发射特性的结构的p偏振光谱。

图3.(a)和(b)分别示出了利用不同温度下的SEM;(c)热发射光谱获得的制造结构的俯视图和截面图；(d)200°c时法线方向的测量和拟合热发射光谱；(e)200°c时峰值发射强度的偏振依赖性。

图4.(a)角分辨热辐射测量系统的实验装置，其中样品被放置在旋转台上以测量角分辨发射光谱；(b)不同角度的热辐射光谱，插图中绘制了不同角度下6.3微米的发射率。

小结：综上所述，本研究提出了一种新型的三元微纳光栅热辐射器，通过在介质光栅中引入周期性扰动，产生准引导模态（QGMs），并与FP共振进行耦合，从而实现了Q因子的精确调控。在Γ点，通过适度的对称性破缺，将束缚态转化为准束缚态，实现理想的临界耦合条件（辐射Q因子与吸收Q因子匹配），产生了孤立的热辐射模式，从而实现高空间相干性和稳定的角度特性。在实验中，通过优化光栅结构参数（周期720 nm、栅条厚度968 nm、中间ZnS缓冲层厚度418 nm、中央光栅宽度645 nm、横向偏移80 nm），获得了实验Q因子高达280的热辐射特性。实际测量结果与理论预测高度一致，证实了该结构即使在存在制造误差的情况下，也能保持稳定的高空间相干性。本研究为设计具有高空间和时间相干性、同时消除彩虹效应的热辐射器件提供了新方法。未来有望广泛应用于红外成像、传感以及能源采集等领域。

论文信息：

Keren Wang, Kaili Sun, Qi Ding, et al. High-Q Resonance Engineering in Momentum Space for Highly Coherent and Rainbow-Free Thermal Emission. Nano Letters, 2025.

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