英文原题：Bicolor Regulation of an Ultrathin Absorber in the Mid-Wave Infrared and Long-Wave Infrared Regimes
通讯作者：Junbo Yang (杨俊波)，Zhenfu Zhang (张振福)，Xinpeng Jiang (姜鑫鹏)，国防科技大学
作者：Xinpeng Jiang* (姜鑫鹏)，Xinfei Wang (王新飞)，Jie Nong (农洁)，Gangyi Zhu (朱刚毅)，Xin He (何新)，Te Du (杜特)，Hansi Ma (马汉斯)，Zhaojian Zhang (张兆健)，Huan Chen (陈欢)，Yang Yu (于洋)，Dongqing Liu (刘东青)，Peiguang Yan (闫培光)，Jiagui Wu (吴加贵)，Zhenfu Zhang* (张振福)，Junbo Yang* (杨俊波)
文章亮点
日前，国防科技大学理学院杨俊波教授和空天科学学院刘东青教授、深圳大学闫培光教授、西南大学吴加贵教授、南京邮电大学朱刚毅副教授提出了一种中红外双波段辐射独立调控的框架。采用易失与非易失相变材料结合的方法，制备出一种可以实现中波红外和长波红外发射率独立调控的极薄吸收体。实验结果表明，这种极薄吸收体的中波红外和长波红外的发射率独立调控范围分别为0.8和0.46。该研究首次证明了在两个中红外波段独立调控发射率的可行性，为实现红外辐射精细调制提供了理想的解决方案。相关研究成果以“Bicolor Regulation of an Ultrathin Absorber in the Mid-Wave Infrared and Long-Wave Infrared Regimes”为题作为封面文章发表在ACS Photonics上。
图1：论文封面
背景介绍
人眼之所以能够看见五彩斑斓的世界是因为红绿蓝三色光的有机融合。在红外视角下，以红外探测器为接收媒介，以工作带宽为基础，可以看到与可见光迥异的“红外”世界。一些研究指出，不同波段的中红外(MIR, 2.5~25 μm)信息蕴含着不同的植物学规律。比如，植物叶片的结构信息往往隐藏于其长波红外(LWIR, 8~14 μm)的辐射特征，而植物叶片的水分含量更多与中波红外(MWIR, 3~5 μm)光谱息息相关。为了更好模仿植物的红外特征，需要更加精确地调控不同波段的红外辐射，从而使得热目标更好地隐匿于不同的林地环境。此外，多波段的红外信息独立调控可以在不同波段呈现不同的红外信息，给予红外加密更多可能。双波段中红外动态调控把红外隐身与敌我识别结合，有望实现红外隐身与红外成像的自如切换。
红外辐射调控一直以来是热光子研究中的热点问题，它旨在针对红外波段一些特定大气透明窗口区间实现可调制的波长选择性发射。在红外辐射调控研究中，中红外热辐射调控尤为重要，这是因为其涵盖了中波红外和长波红外两个大气窗口区间并且室温环境下常见发射体的热辐射能量大多集中于这一光谱范围。因此，中红外热辐射调控在辐射冷却、红外成像、红外隐身等领域具有广泛的应用前景。最近，基于石墨烯、金属相变材料、易失和非易失相变材料的智能材料体系被应用于中红外光谱调制。然而，这些调制技术依然存在调制波段不可选、调制性能不高、大面积制备不兼容等问题，限制了其在中红外热辐射调控领域的应用。因此，开发具有结构简单、调制性能优异的红外辐射极薄吸收体迫在眉睫。
图文解读
研究团队首先提出了一种理想的中红外双波段独立调制的框架，从而可以在不影响非调制波段光谱特性的前提下，实现指定红外波段的光谱特性调控。这将使得一个物体能在不同红外波段实现不同的红外辐射信息显示。针对这一框架，研究团队优化了一种易失与非易失相变材料结合的极薄吸收体结构，并给出了优选结构在不同状态下的红外吸收谱。
图2：中波红外和长波红外双波独立调控的理想发射率框架
进一步对优选结构进行了实验制备，并测量了这种极薄吸收体在不同调制情况下的红外光谱特性，实验结果与理论结果十分吻合。接着理论分析了这样一个具有集成化功能的极薄吸收体存在的谐振模式，进一步剖析了在极薄吸收、高反射、抗反射三种模式下的能量分配以及不同膜层所扮演的角色。
图3：中红外双色极薄吸收体的制备及表征
研究团队通过加热和激光直写两种方式实验证明了中波红外动态独立调控的可行性。在加热过程中，我们对比了中波红外成像与长波红外成像的结果，可以看出在二氧化钒相变前，中波红外与长波红外均表现出相对于加热温度较低的表观温度。而在超过二氧化钒相变温度时，由于中波红外发射率的大范围调制，样品在中波红外的表观温度与热源相似，而在长波红外则依然保持了相对于加热温度较低的表观温度。此外，激光直写的方法使得中波红外的图案化显示成为可能。
图4：中波红外辐射动态独立调控
如图5所示，通过采用激光直写方法，刻写不同间隔大小的晶化GST，实现了多位制的长波红外光谱信息调控。在本实验中，通过这种改变栅极间隔的方法，最多可以实现16位制的长波红外信息的调制。从这16位制中，我们选取了其中的9种发射率状态，并直写出了一种非易失的“九宫格”长波红外图案。
图5：长波红外辐射多位制独立调控
结合激光直写方法，通过调控超连续谱激光的辐照功率，研究团队提供了一种集成化地实现中波红外和长波红外独立调控的方法。通过设置高低激光辐照功率，可以有选择性地控制需要操控的相变材料，从而独立调控中波红外和长波红外的光谱特性。
图6：中波红外与长波红外集成化独立调控
总结/展望
研究团队从光学基本理论出发，探索光学、热学、微纳制造等多个领域交叉融合新方案，开展了一种中红外双波段独立调控的机制研究。在该研究中，研究了多模式光学谐振的产生与兼容问题，首次实现了多种相变材料的集成化设计与制备，并在实验中利用不同相变材料的特性差异实现中波红外与长波红外发射率的独立调制。这一研究将为多波段自适应隐身技术提供理论支撑，并为红外成像与红外隐身多功能兼容提供理想的解决方案。通过持续的研究和探索，我们可以进一步挖掘和优化这项技术，推动其在科学研究和工业生产中的应用，并在热辐射调控、红外加密、多波段隐身等领域产生更加深远的影响。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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