近日，中科院上海光機所邵宇川研究員團隊，報道了一種面向紅外防偽應(yīng)用的偏振敏感型長波紅外窄帶熱輻射器。研究人員使用亞波長雙層超構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)（金屬層+聲子極化介質(zhì)層），實現(xiàn)了偏振敏感的長波紅外熱輻射響應(yīng)。利用長波紅外相機結(jié)合偏振片旋轉(zhuǎn)的測試方案，有效驗證并演示了該熱輻射器在紅外防偽應(yīng)用中的獨特功能與潛力。研究成果以“Polarization-Sensitive Long-Wavelength Infrared Narrowband Thermal Emitter for Anticounterfeiting”為題，發(fā)表于ACS Applied Optical Materials。

實現(xiàn)長波紅外(LWIR，8-14 μm)波段的靈活熱輻射調(diào)控在紅外隱身、輻射制冷、氣體傳感和紅外防偽與加密等領(lǐng)域具有重要價值，但通常面臨兩大挑戰(zhàn)。（1）自然材料局限性。黑體熱輻射呈寬帶特性且缺乏偏振選擇性，III-V族半導(dǎo)體（如GaP）的聲子吸收波段通常位于20–60 μm，難以覆蓋LWIR大氣窗口。現(xiàn)有的長波紅外聲子極化材料（如SiO2、TiO2）的偏振消光比（PER）普遍低于10，難以滿足高安全性防偽需求。（2）制備工藝瓶頸。超構(gòu)表面、光柵等人工微納結(jié)構(gòu)依賴高成本光刻技術(shù)，難以實現(xiàn)大面積制備，也難以兼顧光譜與偏振同時調(diào)控等多功能應(yīng)用需求。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種低成本、可大面積制備的雙層超薄熱輻射器，該器件基于亞波長雙層超構(gòu)薄膜（900nm的多晶WO3極性介質(zhì)層和100 nm的Au薄膜），通過調(diào)控其偏振參數(shù)實現(xiàn)高安全性光學(xué)防偽應(yīng)用。研究首次將退火后的WO3薄膜（新型聲子極性介質(zhì)材料）用于LWIR偏振敏感熱輻射控制，利用Berreman共振模式與FP干涉模式的協(xié)同調(diào)控，突破傳統(tǒng)氧化物薄膜的偏振消光比限制（實驗測試的PER達(dá)23.2）。最后，通過旋轉(zhuǎn)加裝在LWIR相機前的偏振片角度，實現(xiàn)了SIOM標(biāo)志圖案的動態(tài)顯隱（TM偏振清晰可見，TE偏振完全隱藏），證實了器件的高安全性紅外防偽能力。研究團隊通過材料體系創(chuàng)新（WO3）與共振方式創(chuàng)新（Berreman+FP）解決了LWIR窄帶熱輻射的高消光比偏振控制難題，為紅外防偽與加密技術(shù)發(fā)展提供了新范式。

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圖1. (a) 提出的亞波長雙層超構(gòu)薄膜紅外窄帶熱輻射器示意圖，該結(jié)構(gòu)由頂層聲子極化介質(zhì)層和底層金屬組成。(b)-(e) 該熱輻射器在TE和TM偏振下的理論和實驗變角度吸收譜，呈現(xiàn)出明顯的偏振敏感吸收特性。

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圖2. (a) 用于紅外防偽應(yīng)用的偏振敏感型長波紅外窄帶熱輻射器探測示意圖。該輻射器利用熱板加熱發(fā)射長波紅外窄帶熱輻射，隨后通過旋轉(zhuǎn)偏振片角度使長波紅外相機進(jìn)行偏振選擇性探測。(b)-(c) 實驗測量的變偏振角度熱輻射強度譜和峰值波長處的偏振角度分布圖，這里對應(yīng)的入射角固定在60°，峰值波長為10.17μm。(d) 定制的SIOM標(biāo)志圖案可見光照片。 (e)-(k) 不同偏振角度下的長波紅外成像圖，顯示出優(yōu)異的紅外偏振防偽效果。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1021/acsaom.5c00024