山东师范大学韩张华Nature Communications：非厄米超表面的结构化相干热发射

热辐射作为自然界中普遍存在的电磁辐射现象，通常表现出宽谱、全向、非相干且无偏振的特性。近年来，微纳光子学和超材料技术的发展正在重塑这一传统物理认知，研究人员通过精细设计人工微纳结构，已实现了对热发射光谱、空间和偏振等多维度的精确调控。然而，具有矢量偏振或结构化光特性的相干热发射仍鲜有实验演示。针对上述问题，本文提出一种基于非厄米热超发射器的设计，通过微扰诱导的布里渊区折叠将高辐射损耗的法布里-珀罗（Fabry–Perót, FP）模式与对称保护的连续谱束缚态（Bound states in the continuum, BIC）耦合，并利用异常点附近的非厄米动力学实现色散与损耗的同步工程调控。该设计在k空间中实现了辐射Q因子的锐变，仅在选定输出角度处触发矢量偏振发射。实验研究在3–5 μm大气透明窗口内揭示了甜甜圈形窄带热发射，具有高光谱纯度、极端方向性和独特的矢量偏振特性。该设计建立了将非相干热涨落转化为相干矢量偏振光束的强大非厄米平台，克服了相干性、光谱选择性和偏振控制之间的权衡。相关工作以Structured coherent thermal emission from non-Hermitian metasurfaces为题发表在Nature Communications期刊。

文章首先比较了传统色散BIC系统与经由非厄米策略设计的迷你平带系统在热发射特性上的差异，阐述了非厄米工程通过拓扑、能带和耗散控制实现高方向性、无彩虹效应的甜甜圈形矢量偏振热发射的工作原理（图1）。随后详细介绍了非厄米工程的物理过程，包括部分刻蚀超表面的结构设计、四孔晶胞诱导的双向能带折叠、拓扑荷工程以及随微扰δ变化的异常点形成、湭灭与重构过程（图2）。接着通过数值模拟分析了传统BIC系统与本工作迷你平带系统的Q因子角度依赖性、角度分辨发射光谱以及远场偏振分布，验证了临界耦合仅在极窄角度范围内实现从而抑制彩虹效应的机制（图3）。之后展示了器件的制备结果与实验测量装置，包括伪彩色扫描电镜图像和角度分辨热发射表征系统的示意图（图4）。最后通过不同方位角和偏振角下的角度分辨热发射测量以及动量空间发射率分布，实验证实了两个迷你平带分别产生携带+1和-1拓扑荷的方位偏振与径向偏振甜甜圈形相干热发射（图5）。

图1.非局域超表面的热发射。(a, b)两种不同BIC支持系统（传统色散带(a)和迷你平带(b)）的发射特性。(c)热发射工作原理示意图及不同矢量偏振甜甜圈形热发射的示意。

图2.非局域超表面的非厄米工程。(a)原始部分刻蚀超表面的截面与俯视示意图；(b)未微扰结构的计算光子能带结构；(c)引入微扰δ后的新超表面俯视示意图；(d)微扰引起的布里渊区收缩示意图；(e)δ= 20 nm时的能带结构；(f)通过结构变化引入拓扑荷的示意图；(g-k)不同δ值下本征值的实部（上图）与虚部（下图）。

图3.热发射特性的数值分析。(a)支持BIC色散带的传统超表面示意图及Qtotal、Qrad、Qabs随发射角θ的变化；(b)新结构在y偏振Γ→X方向的计算角度分辨光谱；(c, d) δ = 173 nm时两个迷你平带对应的Q因子随发射角的变化；(e) δ = 173 nm时y偏振Γ→X方向的计算角度分辨光谱，标注了两个迷你平带Γ点处的BIC；(f, h)两个迷你平带在Γ点附近的远场偏振图；(g, i) BICB和BICA两个迷你平带输出波长在动量空间中的模拟发射率。

图4.制备样品与实验装置示例。(a)俯视和(b)截面伪彩色扫描电镜图像。(c)用于表征结构热发射特性的装置示意图。

图5.结构化热发射的实验结果。(a-c)不同方位角(β)和偏振角(α)下的角度分辨热发射测量，颜色幅度代表发射率；(d, e)两个迷你平带波长对应的动量空间发射率分布，右图为发射率随偏振角α和方位角β的依赖关系。

小结：为解决传统热发射器在实现矢量偏振相干热发射时面临的相干性、光谱选择性与偏振控制之间的权衡问题，文章提出了基于非厄米迷你平带工程的矢量偏振相干热发射策略。研究通过在Ge/ZnS/Au多层膜结构中引入四孔晶胞微扰，利用布里渊区折叠将导模耦合至连续谱，形成携带可定制拓扑荷的对称保护BIC；通过调节微扰δ实现异常点的形成、湭灭与重构，在异常点附近诱导辐射损耗随波矢的锐变，使临界耦合仅在极窄角度和单一中心频率处实现。所得热发射器在3–5 μm大气透明窗口内同时产生两个迷你平带，分别在4.84 μm和4.705 μm处实现Q因子为97和73的窄带发射，发射角低至1.2°和1.42°即可达到近单位发射率，有效抑制了彩虹效应并实现了甜甜圈形矢量偏振光束。实验结果证实，携带+1拓扑荷的BICB产生纯方位偏振发射，携带-1拓扑荷的BICA产生沿x/y轴方位偏振与沿45°方向径向偏振的叠加态，与理论预测高度吻合。该工作将非相干热光子转化为高性能、可定制的矢量光束，为片上激光类热源在红外光学操控和微尺度热成像等领域的应用开辟了新途径。

论文信息：Sun, K., Wang, K., Li, W., Cai, Y., Wang, W., Kivshar, Y. & Han, Z. Structured coherent thermal emission from non-Hermitian metasurfaces. Nature Communications, 17, 2449 (2026).

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn，微信：Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).