用于中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段的同时且非相关发射率控制的超表面平台

《Light-Science & Applications》：Metasurface platform for simultaneous and uncorrelated emissivity control over MWIR and LWIR spectral bands

　　

中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）的热辐射支撑着广泛的成像、传感和安全技术。尽管超表面已经实现了热发射率的光谱和角度控制，但在单个平台上实现跨多个红外波段的空间分辨且非相关的发射率控制仍然是一个重大挑战。在这里，研究人员实验性地展示了一种基于超表面的方法，能够同时实现中波红外和长波红外波段像素级的热发射率控制。该平台基于一种腔耦合金属-绝缘体-金属（MIM）结构，支持两种红外共振，其光谱位置和强度通过几何设计参数正交控制。通过系统探索设计空间，研究人员实现了一个宽范围的发射率调色板，并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及校准的中波红外和长波红外热成像实验验证了其热响应。这种能力允许在两个波段中编码相关或不同的空间热图案，从而在单个芯片上演示了双波段热伪装和去耦合的热图像复用。该超表面响应被证明对偏振不敏感，并在宽温度范围和视角范围内具有鲁棒性。这些结果为实现多波段、图像级热发射控制建立了一条可扩展的路径，在热成像、安全和红外信息编码方面具有潜在应用。

**研究背景与问题**
中波红外（MWIR，3–5 μm）和长波红外（LWIR，8–14 μm）两个大气窗口是现代热成像、传感和安全系统的核心。现有技术中，超表面虽能实现发射率的光谱和角度控制，但多数方案仅提供空间均匀的发射率、有限的灰度调控，或导致波段间响应高度相关。堆叠多层功能层或多共振超表面虽能实现多波段操作，但尚无法在同一平面平台上同时实现MWIR和LWIR波段的像素级、空间分辨且非相关的发射率控制。这一局限严重制约了热伪装（需抑制或定制目标热信号以融入背景）和热编码（需生成可被热成像系统解析的结构化热信号）等应用。为解决此问题，研究人员提出并实验验证了一种基于腔耦合金属-绝缘体-金属（MIM）超表面的平台，首次实现两个波段同时且非相关的发射率空间控制。该成果发表在《Light-Science》上，为多波段、图像级热发射控制提供可扩展途径，在热成像、安全及红外信息编码领域具有重要潜力。

**关键技术与方法概览（不超过250字）**
主要关键技术方法包括：①基于MIM腔耦合结构的超表面设计，通过圆盘半径（R）和周期（P）正交控制MWIR和LWIR波段共振波长与吸收强度；②利用FDTD（时域有限差分）仿真模拟吸收谱，并依据基尔霍夫定律（Kirchhoff's law）将吸收谱等效为发射谱，进而通过普朗克定律（Planck's law）计算相对热发射；③采用电子束光刻（EBL）和标准光刻（photolithography）制备样品，形成200×200 μm2周期性像素；④使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量光谱吸收，并结合校准的MWIR冷却相机（FLIR Neutrino）和LWIR非冷却相机（FLIR Boson）获取热图像；⑤通过梯度相关（GC）和结构相似性（SSIM）等指标定量评估图像保真度与通道去耦合性能。

**研究结果**
**器件设计与光谱响应**
研究人员通过FDTD仿真和FTIR测量，表征了不同半径和周期下MIM结构的吸收谱。实验表明，增大圆盘半径（0.7–1.2 μm）使MWIR和LWIR两个共振同时红移；增大周期（2.4–5.2 μm）则降低共振峰的吸收强度，且对光谱位置影响较小。这一正交控制机制实现了对共振波长和吸收强度的独立调节，为构建发射率调色板奠定基础。

**发射率调色板实验表征**
研究人员制备并测量了130种不同R和P组合的结构，在54°C下通过热相机提取各结构的相对热发射（相对于黑体辐射）。散点图显示，MWIR相对发射（最高30%）与LWIR相对发射（最高38.5%）之间几乎无线性相关（Pearson R=0.10, p=0.26）也无单调相关（Spearman ρ=0.14, p=0.11），证实了非相关光谱控制能力。全局雅可比灵敏度分析进一步排除了非线性耦合区域。

**双波段热伪装演示**
选用一种结构作为背景（LWIR约17%，MWIR约13%），并使用其他结构构成Gustav Kirchhoff肖像的像素，使所有像素在MWIR和LWIR波段具有相似发射率。实验显示，在54°C下，芯片在两个波段同时呈现相同的Kirchhoff图像，且室温下图像与背景融合。该结果验证了平台在相关双波段热伪装中的应用。

**非相关热编码演示**
在相同芯片上，MWIR波段编码牛顿（Newton）肖像，LWIR波段编码莱布尼茨（Leibniz）肖像，且每个像素选自130种结构。实验在32°C至112°C范围内成像，温度升高时编码图案逐渐清晰，且MWIR和LWIR图像彼此独立。交叉波段梯度相关（GC）值在0.2左右，表明高频特征泄漏被有效抑制，验证了通道去耦合能力。

**角度与温度鲁棒性**
在0°至59°入射角范围内，LWIR通道的GC保持高保真度，MWIR通道则线性下降但仍可识别；在25°C至112°C范围内，交叉波段GC值持续低水平（约0.2），表明平台在宽温度范围和视角范围内具有稳健性，且响应不受偏振影响（由于结构π/2旋转对称性）。

**讨论与结论总结**
讨论部分指出，该平台首次实现了MWIR和LWIR波段同时且非相关的发射率空间控制，是热成像灵活性的重要进步。热图像在±35°视角和宽温度范围内保持稳健，且采用简单MIM结构便于规模化制备（可通过标准光刻实现）。相对发射率虽低于黑体，但实际辐射对比度显著（如100°C、ε=0.4的物体在20°C背景下表观温度约60°C）。未来可通过多路复用超胞（每像素集成多个圆盘半径）或改变介电层厚度拓宽动态范围，但需平衡空间分辨率与发射强度。该平台可应用于双波段热伪装、信息复用、防伪及安全通信。研究结论翻译如下：综上所述，这项工作建立了一种基于超表面的双波段热发射控制方法，具有可扩展性、稳定性和多功能性。通过同时满足热伪装和热编码需求，该工作突显了像素级发射率控制如何支持安全、通信和热管理领域的新兴应用。