基于马鞍形色散能带调控实现热辐射的全偏振与高相干性控制

本刊推荐：为解决热辐射光源在时间/空间相干性、偏振控制与输出功率间的固有矛盾，研究人员通过双面波纹波导阵列设计，构建了具有马鞍形高Q值色散能带的新型非局域超表面，实现了创纪录的时间相干性(Q≈304)、空间相干性(相干长度0.32 mm)、自旋相干性(发射圆二色性≈0.91)及全偏振态调控，且所有特性在10°输出角范围内保持稳定，为红外偏振成像、手性分子传感与相干热通信提供了高性能集成光源解决方案。

　　

任何温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，这种辐射长期以来被视为热振荡产生的非相干副产品。然而，纳米结构超表面的光子工程技术革命性地改变了我们调控热辐射的能力，赋予其一度仅为激光光源独有的特性：相干性、方向性、偏振甚至波前控制。尽管取得了这些进展，如何在实现高时间与空间相干性的同时，实现对偏振态的完整控制，并保证足够的输出功率，仍是热辐射器面临的关键挑战。

传统方法依赖表面声子极化激元(SPhPs)或局域表面等离子体共振，但它们要么受限于光谱范围（如Reststrahlen波段），要么因高损耗而阻碍时间相干性的提升。近年来，全电介质超表面在实现高Q值共振方面展现出巨大潜力，特别是通过支持非局域（空间扩展）准束缚态，如连续谱中的准束缚态(quasi-BICs)。然而，这些结构通常需要复杂的几何形状、多层结构或倾斜蚀刻技术，且高性能响应往往仅限于动量空间中的单个k点。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，孙凯丽等人提出了一种创新的设计策略，通过双面波纹波导阵列实现了对热辐射偏振和相干性的全面控制。该设计支持独特的马鞍形高Q色散能带——沿波导方向呈抛物线形以确保高空间相干性，垂直方向呈平带以提高收集效率。通过调整波纹的相对偏移，可连续调控偏振态。研究人员制备了一系列超表面，展示了创纪录的高时间相干性(Q≈304)、空间相干性（相干长度0.32 mm）、自旋相干性（发射圆二色性≈0.91）及多种偏振态，且所有特性在大输出角（超过10°）范围内保持稳定。

研究采用有限元法(FEM)进行数值模拟，结合电子束光刻与干法蚀刻技术制备样品，并利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量热发射性能。实验样本基于硅衬底，依次沉积钛、氧化铝(Al₂O₃)和锗(Ge)薄膜，通过电子束蒸发与电感耦合等离子体增强反应离子蚀刻(ICP-RIE)工艺形成波导阵列结构。

能带结构与GMRs的Q因子

通过在两片波导两侧引入周期性波纹，打破平移对称性，将引导模(GM)能带折叠至连续谱中，形成高Q值的引导模共振(GMRs)。模拟结果显示，沿ΓX方向观察到平带行为，而沿ΓY方向保持陡峭色散，形成马鞍形色散带。

Q因子与波纹深度L₁呈平方反比关系，且在整个布里渊区内保持恒定，这与传统准BICs形成鲜明对比。

热发射偏振依赖性

通过调整相邻波纹的间距(0.5P_y-δ)，可实现从左旋圆偏振(LCP)到线性偏振再到右旋圆偏振(RCP)的连续调控。

圆二色性(ECD)在δ=±280 nm时接近1，表明纯LCP或RCP发射。偏振控制覆盖动量空间大范围波矢，且具有角度不变性。

实验演示

制备的δ=280 nm器件在5.315 μm波长处呈现窄线宽(17.5 nm)的LCP发射，Q因子达304，ECD为0.91。

角度分辨测量显示，沿x方向输出时发射波长与线宽保持稳定，沿y方向则出现蓝移，印证了色散特性。空间相干长度达0.32 mm，远超金属超表面结果。

研究通过双面波纹波导阵列设计，成功实现了热辐射的高相干性与全偏振控制。马鞍形色散带提供了k鲁棒的超高Q因子，结合1D空间滤波器可在不牺牲时间相干性的前提下提高收集效率。该设计无需复杂几何结构或多层制备，为微型化片上高性能热光源开辟了道路，在偏振成像、手性红外光谱与传感、相干热通信等领域具有广泛应用前景。材料与工艺的进一步优化有望将Q因子提升至65,000以上，空间相干长度扩展至厘米尺度。