综述：纳米光子学对热辐射的相干控制

这篇综述系统阐述了利用纳米光子结构（如光栅、超表面、光子晶体等）实现热辐射相干控制的最新进展，重点探讨了时间相干性（光谱带宽）、空间相干性（方向性）和偏振态的调控机制，并展望了其在红外传感（NDIR）、辐射制冷（Radiative Cooling）和热伪装（Thermal Camouflage）等领域的应用前景。

　　

引言

传统热辐射（如黑体辐射）因宽带特性和全向发射存在固有局限性。纳米光子结构通过亚波长尺度设计，可精准调控热辐射的光谱、方向和偏振特性，突破传统热源的物理边界。

基本原理与计算技术

热辐射遵循基尔霍夫定律（Kirchhoff's Law），其发射率ε(λ)等于吸收率α(λ)。普朗克定律（Planck's Law）和斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law）量化了热辐射的频谱与总能量。时间相干性通过光谱带宽Δλ评估（Q=λ_c/Δλ），空间相干性则与角发散度Δθ成反比。数值模拟方法（如FDTD、FEM）和理论模型（如耦合模理论CMT）为设计提供支撑。

时间相干性：光谱带宽控制

金属光栅通过表面等离子体共振（SPP）实现窄带发射，如Au浅光栅Q值达460。超材料（如金属-绝缘体-金属MIM结构）通过局域共振获得高吸收（>97%），但Q值通常<40。光子晶体和量子阱（MQW）组合可将Q提升至100以上，而多层膜（如Tamm等离激元TPP）通过非周期性优化实现Q≈780。

空间相干性：方向性调控

SiC光栅利用表面声子极化激元（SPhP）实现Δθ≈1°的定向辐射。超表面通过法诺共振（Fano Resonance）和连续域束缚态（BIC）同时优化Q值（≈120）和方向性（Δθ≈1°）。近零介电常数（ENZ）材料可实现宽谱定向发射（Δθ≈15°）。特殊结构如“牛眼”光栅和手性超表面还能实现自聚焦或圆偏振辐射。

偏振态调控

线偏振可通过各向异性结构（如纳米棒阵列）实现，而圆偏振需依赖手性设计（如螺旋光子晶体）。超表面通过打破对称性实现非互易辐射，为偏振加密提供新思路。

应用前景

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  红外传感：窄带热源可替代量子级联激光器（QCL），降低NDIR系统成本。

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  辐射制冷：ENZ材料在8–14 μm大气窗口实现高效散热。

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  热伪装：超表面动态调控红外特征，兼容微波隐身。

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  信息加密：角度依赖的热辐射图案用于多波段加密。

挑战与展望

未来需探索拓扑光子学与非厄米系统在热辐射中的应用，开发动态可调器件（如相变材料GST/VO_x），并推动片上集成多功能设备的发展。