上海交大赵长颖教授团队Advanced Optical Materials：基于多层结构的光谱与方向发射独立调控

热辐射本质上是宽带和非相干的电磁波，这限制了其在辐射冷却，热伪装和热光伏等领域的广泛应用。近年来，许多研究工作已通过各种微纳米结构来控制热辐射的方向和光谱特性。然而，与激光等高度定向的光源相比，现有的热发射器在方向调控方面还有很大的研究空间。为此，上海交通大学赵长颖团队通过串联角度选择性滤波器和光谱选择性发射器，设计了一种对热辐射方向和光谱特性独立调控的窄带高定向热辐射器。通过非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）优化，仅由7层薄膜组成的窄带高定向热辐射器可具有高达0.97的最大发射率，其高发射角度展宽小于20°，光谱展宽小于0.025 μm。该研究为设计窄带和定向热发射器提供了一条简单有效的途径，在红外光源、辐射探测和热光电转换的余热利用等方面具有广泛的应用前景。相关工作以Independent Control of Spectral and Directional Emissivity with Multilayer Structures为题发表在Advanced Optical Materials期刊。

本文从热辐射光谱与方向独立调控的需求出发，总结了目前定向热辐射器的研究工作（图1a），并提出串联角度选择滤波器和光谱选择发射器的设计概念（图1b）。通过研究分布式布拉格反射器（DBR）和金属-介质-金属结构的光谱与方向调控能力（图2），本文提出了一种理想的窄带高定向发射多层结构（图3），并分析了介质层厚度与折射率对发射特性的影响。利用NSGA-II算法简化理想DBR的材料与厚度，本文最终设计了一种仅由7层薄膜组成的p偏振窄带高定向热辐射器，在1.39 μm和66.5°的光谱位置表现出高发射特性，角度展宽小于20°，光谱展宽小于0.025 μm（图4）。实验结果（图5）与理论计算十分吻合，证实了该结构具有良好的窄带高定向发射特性。误差分析表明，实验测量的共振波长蓝移是因为介质层厚度未达到设计值（图6a），角度偏移是因为实验系统中棱镜和匹配液体折射率与理论计算值存在差异（图6b），而角度展宽的变化是因为实验操作引起的金属折射率虚部增大（图6c）。

图1.（a）现有定向热辐射工作。（b）设计概念。

图2.（a）材料的折射率。（b）分布式布拉格反射器的能带图。金属-介质-金属的（c）角分辨光谱和（d）谐振波长处的电磁场分布。

图3. 理想的窄带定向发射多层结构（a）示意图，（b）p偏振发射率和（c − h）具有不同材料、厚度等p偏振发射率。

图4. 简化的窄带定向发射多层结构（a）示意图，（b）p偏振发射率和（c − e）色散关系。

图5. 样品和实验光谱测量。（a）样品的SEM图。（b）光谱测量装置的示意图。（c）实验测量的p偏振发射率。（d）模拟计算和实验测量发射率的对比。

图6.（a）介质层厚度对谐振波长的影响。（b）环境折射率对谐振波长和布鲁斯特角的影响。（c）金属折射率虚部对光谱和角度展宽的影响。

小结：综上所述，本文利用DBR的布鲁斯特效应和金属-介质-金属结构的腔谐振，提出了一种窄带定向热辐射器，实现了热辐射光谱和方向特性的独立调控，其发射峰可由材料、厚度和环境匹配条件的选择进行调整。本文还通过NSGA-II算法，将多层的窄带定向热辐射器优化至七层，其高发射角度展宽小于20°，光谱展宽小于0.025 μm，最大发射率为0.97，其实验结果验证了理论设计的正确性。所设计的热辐射器结构简单，峰值发射率高，且可被应用于可见光和红外波段，满足特定的应用场景。本研究为窄带和定向热辐射器的未来设计和利用提供了一条简单有效的途径，在辐射检测、气体传感器和热光伏系统等领域具有广阔的应用前景。

论文信息：Yu W, Wang B, Gong Z, et al. Independent control of spectral and directional emissivity with multilayer structures[J]. Advanced Optical Materials, 2403086.

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