近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所邵宇川研究員團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種面向紅外防偽應(yīng)用的偏振敏感型長(zhǎng)波紅外窄帶熱輻射器。研究人員使用亞波長(zhǎng)雙層超構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)（金屬層+聲子極化介質(zhì)層），實(shí)現(xiàn)了偏振敏感的長(zhǎng)波紅外熱輻射響應(yīng)。利用長(zhǎng)波紅外相機(jī)結(jié)合偏振片旋轉(zhuǎn)的測(cè)試方案，有效驗(yàn)證并演示了該熱輻射器在紅外防偽應(yīng)用中的獨(dú)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(jià)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?，F(xiàn)有的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)大面積制備，也難以兼顧光譜與偏振同時(shí)調(diào)控等多功能應(yīng)用需求。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試的PER達(dá)23.2）。最后，通過旋轉(zhuǎn)加裝在LWIR相機(jī)前的偏振片角度，實(shí)現(xiàn)了SIOM標(biāo)志圖案的動(dòng)態(tài)顯隱（TM偏振清晰可見，TE偏振完全隱藏），證實(shí)了器件的高安全性紅外防偽能力。研究團(tuán)隊(duì)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。

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

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圖1. (a) 提出的亞波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)變角度吸收譜，呈現(xiàn)出明顯的偏振敏感吸收特性。

圖2. (a) 用于紅外防偽應(yīng)用的偏振敏感型長(zhǎng)波紅外窄帶熱輻射器探測(cè)示意圖。該輻射器利用熱板加熱發(fā)射長(zhǎng)波紅外窄帶熱輻射，隨后通過旋轉(zhuǎn)偏振片角度使長(zhǎng)波紅外相機(jī)進(jìn)行偏振選擇性探測(cè)。(b)-(c) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的變偏振角度熱輻射強(qiáng)度譜和峰值波長(zhǎng)處的偏振角度分布圖，這里對(duì)應(yīng)的入射角固定在60°，峰值波長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外成像圖，顯示出優(yōu)異的紅外偏振防偽效果。