Laser & Photonics Reviews:热辐射绘画——基于二氧化钒薄膜与光学谐振腔的热辐射调控

在广阔的电磁波谱中,可见光波段虽只是其中极窄的一段,但人类通过双眼就能感知可见光承载的物体形状、色彩、纹理等丰富的信息。中/长波红外热成像器件的诞生,更是将人类的视觉“扩展”到更长的波段,使人们能够直观地观察物体的温度信息。正如黑体辐射定律所描述的那样,一切温度高于绝对零度的物体都在向外辐射电磁波,而理想黑体对外辐射光谱的强度及峰值波长与其实际温度密切相关。我们生活环境中常见的温度在300K左右,这一温度对应的黑体的辐射峰值波长位于10 μm附近,正好处于8–14 μm的大气窗口波段,因此这一波段是红外热成像的理想波段之一。

伴随着中/长波红外热成像器件以及相关应用的发展,能够用于红外成像系统性能评估的标准红外场景/目标模拟器件也变得尤为关键。此类模拟器需要能快速便捷地生成实际环境下各种红外场景,从而为红外成像器件及相关系统的研制、测评提供一种经济、便捷、可靠的手段。目前实现的途径主要有电阻阵列式热辐射器、黑体辐射源复合数字微镜阵列式调制器、光控可见-红外变送膜等,但像素化的单元设计加工、数字微镜阵列的引入以及真空环境下悬空薄膜的布置等都极大增加了制造成本以及应用复杂度。

浙江大学光电科学与工程学院李强教授课题组和合作者将超薄二氧化钒薄膜与介质/金属膜层光学谐振腔相结合设计制作了一种新型的热辐射率可调控的辐射器,并利用激光照射诱导二氧化钒材料相变的方式展示了该辐射器件在可重构红外场景/目标模拟器领域的应用。与已有的一些基于二氧化钒的可调热辐射器件不同,光学谐振腔的引入使得上述可调热辐射器在二氧化钒处于绝缘态和金属态时分别具有较低和较高的辐射率,不仅反转了二氧化钒薄膜在绝缘-金属相变过程中辐射率变化的趋势,还有效增强了高辐射率状态的辐射率。在8–14 μm波段,他们提出的可调热辐射器件实现了高动态范围(平均辐射率0.19 – 0.91)、辐射率多级可调控的效果。通过控制激光光束照射在可调辐射器件表面的时间,研究者实现了对辐射器不同位置二氧化钒相变程度的调控,绘制出与可见光图案一致的红外熊猫图案(图1)。另外值得一提的是,由于器件制作仅涉及薄膜沉积的工艺,该器件具有较低的加工制造难度,也有利于大面积应用。

研究者相信,此项研究诠释了将相变材料与光学增强结构相结合以提升材料光学可调谐性能的理念,并为空间可分辨的热辐射动态调控研究打开了新的思路。相关研究成果在线发表于Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900162)。