中科院光机所李炜研究员Laser & Photonics Reviews: 宽带单向热辐射

热辐射作为传热的一种基本形式，具有非相干、全向发射的特性。在宽波段内实现热辐射的单向特性，可以有效地抑制热成像/伪装等器件的方向噪声和寄生热负荷。更重要的是，单向辐射传热有助于热利用设备达到或趋近于Landsberg能量效率极限。虽然热光子学领域的研究学者对热辐射的方向调控进行了广泛的研究，但是宽波段范围内热辐射天顶角和方位角的非互易调控的研究仍然是不足的。近期，中科院光机所刘天际和李炜研究员通过结合具有磁光效应（MO）的梯度介电近零（ENZ）电介质层和各向异性间隔层，提出了一种宽带单向发射器。通过探索多拓扑相位奇点对（TPSPs）的演化，揭示了具有多空间自由度的可调谐完美吸收/发射的潜在物理机制。研究结果为热辐射的多光谱和空间自由度控制奠定了基础。相关工作以Broadband unidirectional thermal emission发表于Laser & Photonics Reviews期刊。

2.1具有不同光谱与方向特性的热辐射

图1a展示了黑体辐射，已有的定向热辐射器和本工作单向热辐射器。本工作的宽波段单向热辐射器是由磁光ENZ层，各向异性间隔层和完美电导体（PEC）衬底组成（图1b），在22 - 26 μm范围内可实现方位角（j）和天顶角（q）的控制，展现了良好的非互易宽波段单向热辐射特性（图1b - 1d）。

图1.具有不同光谱与方向特性的热辐射

2.2 热辐射方向调控的机理

利用TPSPs的变化来说明热辐射的方向调控机制。ENZ层和PEC衬底的多层结构支持具有光谱和方向选择性的Berreman模式，如图2a(I)。当引入损耗(Γ > 0)时，连续介质中的束缚态（BIC）在色散图中分裂为两个对称的反射相位涡流，称为拓扑相位奇点对（图2b插图），这可以预测与奇异反射相位相关的反射零点，从而在单端口系统中实现完美的吸收/发射。图2b和2c显示了不同ENZ层厚度(te)和材料损耗（Γ）下TPSPs的演变。由图可知，TPSPs（对应完全吸收点）的光谱和天顶角位置可以通过ENZ层的厚度和材料损耗进行调控。

引入介电常数为ed的各向同性间隔层，如图2a(II)，论文分析了Berreman模式与FP模式结合的机理。当ed = 10时，由介电间隔层支撑的ii型TPSPs（图2d黄色区域）被由顶部ENZ层支撑的i型TPSPs（图2d中蓝色区域）分隔开来，这两种具有相反拓扑电荷的TPSPs在临界td（灰色五角星）处相遇并相互湮灭，这意味着完美的吸收/发射被破坏。因此，通过调整td，可以组合不同波长下具有相似热传导效应的TPSPs，从而拓宽高发射的带宽，实现宽波段的定向热辐射。

引入具有平面各向异性的间隔层（三元系范德华晶体），由图2e可知，对于一个特殊的范围td，该结构在特定的方位角中支持多个TPSPs的组合，而在其他方向上不存在TPSP。对于具有理想ENZ层和各向异性间隔层的夹层结构，p偏振的发射率如图2f所示。在天顶角55.0° - 76.5°范围内，发射率超过0.8，高发射的方位角中心峰位于0°和180°，范围为± 15°。当td从td1增加到td2时，高发射叶的方位角从0°旋转到90°，而天顶角几乎保持不变。

图2.多拓扑相位奇点对实现热辐射方向控制的机理

2.3宽波段热辐射的天顶角和方位角调控

当j = 0°时，该结构p极化吸收率在天顶角为52.0° - 73.5°时超过0.9，此时三个特殊波长处存在具有相反拓扑电荷的三个TPSPs，对应于完美的吸收点（图3a和3b，左），这有利于定向辐射带宽的扩大。而当j = 90°时，由于不存在TPSPs，吸收被抑制在0.5以下(图3a和3b，右)。在五个特定波长下，该结构的半球空间辐射特性几乎不变，如图3c和3d。

图3.实现天顶角和方位角调控的宽波段热辐射器

2.4论文设计的宽波段单向热辐射器

为进一步提高热辐射的方向性，该团队引入具有MO特性的ENZ材料（图4a和4b），以实现不对称热辐射。此外，梯度磁化的ENZ多层结构是由不同掺杂浓度的InAs薄膜组成的，成对增加了TPSPs的数量，扩大了由TPSPs获得的热发射带宽（图4d）。在施加中等的外加磁场值（1.5 T）后，该结构在22 - 26 μm的波段范围内，具有较高的单向发射率，其在64.5° - 73.5°天顶角和165° - 195°方位角内的平均发射率大于0.9（图4c，4e和4f）。

图4.论文设计的宽波段单向热辐射器

论文结合磁光梯度ENZ层和各向异性间隔层，在宽波段内实现了具有天顶角和方位角选择性的定向热辐射。基于TPSPs的演化，该团队发现高吸收/发射的角度和光谱位置可以通过每层的厚度进行调节，并将MO效应引入梯度ENZ发射器中，作为实现宽带单向非互易发射/吸收的有效途径。这项工作阐明了宽带单向热发射器的设计方法，它在超紧凑红外热源的发展中具有巨大的潜力，并与各种热应用息息相关，如热伪装，探测，热光伏和辐射冷却。

论文信息：Ma Y, Wang J, Li L, Liu T, Li W. Broadband unidirectional thermal emission. Laser & Photonics Reviews, 2024, 2400716.

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