近年来，具有亚波长尺寸与超薄厚度的二维超表面结构以其灵活可控的光学响应，成功打破传统热辐射调控研究的瓶颈。目前，基于各种设计的超表面结构已实现了在波长、偏振、方向、时间和相干性等多个自由度上的热辐射调控，并促进了红外器件的小型化与集成化发展。基于上述研究，南京大学刘辉教授团队特邀综述回顾了近年来通过超表面调控热辐射的研究进展，并介绍了相应的红外应用发展，如红外传感、辐射制冷和热光伏器件等。该文被选为《光学学报》“热光子学前沿及应用”专栏（第44卷第19期）封面文章。

封面展示了超表面阵列在热辐射调控方面的研究。人工设计的超表面为热辐射多自由度调控提供了理想的研究平台，通过对超表面的合理设计，可在辐射波长、偏振、方向以及空间和时间相干性等方面多自由度灵活调控热辐射。超表面已经成为了可以精确且灵活调控热辐射的强大工具，为辐射制冷、热光伏器件、热成像、生化传感、热伪装等应用提供了坚实的基础。

文章链接：尚效合, 仲帆, 尚劲光, 张也, 肖彦玲, 祝世宁, 刘辉. 基于超表面的热辐射调控与红外应用（特邀）[J]. 光学学报, 2024, 44(19): 1925001.

1、背景介绍

热辐射是指温度高于绝对零度的物体因带电粒子无规则热运动而自发辐射的电磁波过程，其广泛存在于日常生活中，通常表现为宽带、非偏振且非相干的特性。传统材料难以灵活调控热辐射，但纳米光子学和纳米制造技术的进步为波长或亚波长尺度的纳米结构探索提供了突破。

如今，超表面、超材料、光子晶体等人工微结构被广泛应用于热辐射调控。超表面在振幅、相位和偏振等方面的调控能力显著，推动了超透镜、生物化学传感和光学吸收器等光学功能的发展。设计超表面的光吸收响应是调控热辐射的关键。研究者们提出了多种超表面结构（如光栅、微腔和周期性排列的金属与电介质）以实现热辐射多自由度调控；此外，还开发了结合相变材料的动态热辐射器和非互易热辐射器，以满足红外应用需求。

2、热辐射调控研究

2.1波长选择性热辐射

传统黑体辐射（如白炽灯）覆盖宽带红外波段，导致低效率。为提高热光伏（TPV）和热管理器件的性能，需要实现波长选择性热辐射并抑制非需求波段。目前，金属-电介质-金属（MIM）超表面作为完美吸收器，能通过磁共振实现选择性热辐射。此外，宽带辐射对辐射制冷和热成像等应用也很重要，可以通过锥形、梯形超表面或组合多个共振微结构来实现。

2.2热辐射调控

1）偏振调控。非对称结构超表面的吸收光谱具有偏振依赖性，展现出了明显的偏振选择特性。天线超表面可产生平行或垂直于天线的线偏振热辐射；光栅和矩形贴片等超表面也能在线偏振入射下实现高吸收。此外，通过设计手性或非手性超表面，可产生圆偏振热辐射，涉及Weyl半金属、双曲超材料和手性纳米结构等特性。

2）方向调控。对热辐射角度调控的研究也是当前的一个重要问题。对此，研究人员提出基于极性材料中的声子极化激元和金属光栅中的表面等离激元机制来调控热辐射的角度响应，如图1所示。

本课题组自行搭建的角度分辨热辐射光谱（ARTES）测量系统具有良好的角分辨能力和从近红外到远红外的宽频率工作范围，并且这种探测方法不需要红外光源激发即可探测红外表面波，可以在合成维度空间研究新奇的物理现象，例如连续域中的束缚态（BICs）、体费米弧和异常线等。

图1 热辐射角度响应机制与ARTES测量技术。（a）Al/SiO2/Al超表面，以及测量得到的横电（TE）和横磁（TM）偏振下随角度变化的热辐射；（b）Al/SiN/Al超表面，以及测量的角度分辨热发射随光栅宽度d的增加（白线和圆分别表示暗磁共振模式和法诺共振点）；（c）ARTES测量装置示意图、制备样品的扫描电子显微镜（SEM）图、设计的超晶格示意图、测量和计算的热辐射色散；（d）设计的超晶格示意图和SEM图，以及测量和计算的热辐射色散

3）动态调控。大多数超表面设计是静态的，其辐射特性由结构参数决定。通过引入可调光学材料或动态调控机制，可以实现热辐射的动态调控。近年来，动态可调控热辐射器在空间可重构热成像和自适应热伪装中受到关注。利用石墨烯、相变材料及多种调控机制，可实现多自由度的动态热辐射调控。提升调控自由度和调制速度是下一代自适应热管理器件研发的关键。

2.3非互易热辐射

基尔霍夫定律表明，在特定波长、偏振和方向下，吸收率与辐射率相等。该定律适用于非磁性、时不变和线性材料。通过使用磁响应材料或光学非线性材料可实现非互易辐射。非互易热辐射调控对太阳能电池和TPV技术非常重要，因为它能提高吸收效率并减少固有损耗。此外，这种调控在单向传感器、热伪装和热隐身等领域也具有重要应用。

2.4近场热辐射

热辐射是热交换的三大基本通道之一，可在无介质情况下传播。在受普朗克热辐射极限限制的远场热辐射中，科研人员开展了大量研究。而亚波长热辐射器似乎突破了这一极限，部分现象是由辐射截面与几何截面之间的差异或内部温度梯度影响造成的。近场热辐射的理论研究涵盖一维、二维纳米结构及基于二维材料的设计，它为高分辨率成像、热整流器和TPV器件的开发提供了新路径，并在热控制中具有重要意义。

2.5热辐射器件的红外应用

热辐射调控为许多红外应用奠定了基础，包括辐射制冷、TPV器件、热成像和生化传感。辐射制冷利用大气窗口实现被动降温，TPV装置将热量转化为电能。中红外波段的特征共振吸收使气体探测在工业和环境监测中变得至关重要。热伪装通过控制表面辐射率，实现目标在红外探测中的隐蔽，被广泛应用于军事和防伪。未来，结合多光谱设计与活性材料，有望实现可切换波段的自适应热伪装。

图2 基于热辐射器件的红外应用。（a）日间辐射制冷的超构纺织物；（b）在0 V和3 V电压偏置下超表面放置在手上的热图像具有热伪装效果

3、集成热辐射芯片

热辐射在波长、偏振、角度等多个自由度上的调控已经得到了广泛的研究。然而，这些研究大多是在单个超表面结构上进行的，热辐射调控的自由度有限。进一步扩大调控自由度对实际的红外应用至关重要。像素化超表面阵列是解决这一问题的有效方法。将多功能热辐射器集成到单个芯片中，可以进一步促进红外器件的集成化和小型化。

该课题组通过像素化超构微腔阵列展示了一种辐射波长覆盖7~9 μm和10~14 μm的热辐射微芯片，如图9所示。每个微腔由纳米孔超表面和法布里-珀罗（F-P）腔组成，在长波红外范围内具有两个辐射峰，表现出很强的x偏振热辐射。超构微腔的共振辐射波长随纳米孔孔长的增加向长波方向移动。通过设计将纳米孔排列成“NJU”和“PHY”图案，可以进一步实现偏振、波长和空间复用的热辐射。

基于这种热辐射芯片设计和热成像方法，该课题组进一步提出了一种间接吸收光谱测量技术。与传统的吸收光谱测量方法相比，该测量技术不需要额外的红外辐射光源和复杂的光谱仪装置，具有高度紧凑的特点。这种集成化间接吸收光谱测量技术可以促进片上红外光谱的应用，如气体传感和微型生化传感器。

图3 基于超表面阵列的集成热辐射芯片。（a）3×3像素化超构微腔阵列组成的热辐射芯片示意图；（b）（c）超构微腔阵列的实验吸收光谱和SEM图；（d）超构微腔阵列在x偏振下的热像图；（e）制备的“NJU”和“PHY”纳米孔图案的SEM图和纳米孔图案的热像图；（f）超构微腔阵列热像图测量装置以及测量得到的阵列不同像素的辐射温度和PDMS层的等效吸收光谱

4、总结与展望

超表面是一种强大的工具，能够灵活调控热辐射的多自由度。波长选择性热辐射是提升热管理应用效率的关键，相关超表面器件已实现多种红外光谱。此外，文中探讨的热辐射的方向、偏振和相干特性的调控以及非互易热辐射和近场热辐射的研究对TPV器件和传热应用非常重要。集成超表面阵列在单芯片上是一种有前景的方案，能够提供更多可调自由度。