基于手性超表面的全向圆偏振热辐射实现及其在红外成像与传感中的应用

这篇研究报道了一种中红外（MIR）手性超表面，通过局域共振增强实现了5.77 μm波长下近单位左旋圆偏振（LCP）发射率，其圆二色性（CD）高达0.84，且具有宽角度鲁棒性。该设计打破了传统对称性限制，为紧凑型热发射器在气体传感、量子计算和红外全息等领域的应用提供了新思路。

　　

引言

热辐射作为物体在绝对零度以上自发产生的电磁波现象，是能量收集、传感和热管理等领域的基础。近年来，热手性超表面因其对热辐射的精准调控能力备受关注，尤其在圆偏振（CP）辐射方向取得突破。圆偏振光因无法通过平移或旋转与镜像重合的特性，在量子计算和中红外（MIR）隐蔽通信中展现出独特优势。然而，兼具高圆二色性（CD）和实际制备可行性的非对称结构设计仍是挑战。

结果与讨论

结构设计与本征模式

研究团队提出了一种金属-绝缘体-金属（MIM）手性超表面，其单元结构通过打破镜面与反演对称性，形成谐振腔激发局域模式。本征频率分析显示，模式ii（51.8 + 2.8i THz）具有最小的虚部和高品质因子，对应5.77 μm波长下的LCP发射峰。电场分布表明，横向板左侧与半圆环结构间的共振增强是产生强手性响应的关键。

圆偏振光谱与场分布

在法向入射下，超表面表现出显著的交叉偏振反射差异：LCP激发时反射谷值<0.1，而RCP反射率稳定在0.8。发射谱显示LCP发射率（σ₊）峰值达0.99，是RCP（σ_-≈0.1）的8倍，对应CD=0.84。局域发射密度分析进一步揭示，LCP激发下电流在横向板左侧汇聚，而RCP激发时电流分布分散，证实了自旋选择性共振的物理机制。

宽角度热辐射特性

动量空间（k-space）分析表明，该超表面在48–56 THz频段内保持高圆偏振度（DoCP≈1），且光学螺旋度（H）达到理论极限的54%。全向差分发射谱显示LCP辐射在整个x-y平面占主导，优于此前报道的40%性能提升。这种角度不敏感性使其适用于宽视场应用场景。

实验验证与应用

通过电子束光刻制备的500×500 μm²样品，其实测吸收谱与仿真结果一致，LCP吸收峰位于5.5–6.3 μm。红外热成像实验直观展示了LCP辐射强度显著高于RCP。通过反转单元结构可生成RCP发射峰，为红外成像的像素化编码提供了可能。

实验方法

研究采用COMSOL Multiphysics仿真，通过Floquet周期边界条件模拟电磁响应。样品制备中，电子束蒸发沉积金膜（180 nm）与磁控溅射SiO₂层（700 nm），结合电子束光刻实现亚微米级图案化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）与红外显微镜分别用于光谱和热成像表征。

结论

该手性超表面通过局域共振增强实现了高性能全向LCP热辐射，其高CD值和宽角度稳定性为MIR传感、成像和片上集成提供了新方案。未来可通过结构优化进一步拓展工作波段，推动其在生物分子检测等领域的应用。