近日，浙江大学光电学院、浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）、新加坡国立大学电气与计算机工程系，在热辐射的波前调控领域取得的成果以《Ultra-Coherent Meta-Emitter Tailors Arbitrary Thermal Wavefront》为题在Nature Communications上进行报道。本工作第一作者为ZJUI与光电学院联合培养博士后研究员陈瑞，共同通讯作者为光电学院马云贵教授与新加坡国立大学的仇成伟教授。
团队提出‘双漏斗’型红外复合超表面，将无序的热辐射转化为相干的表面波，并在实验上首次实现热辐射的波前调控，演示了热聚焦以及空间、偏振复用的热全息，为热辐射的信息化应用提供了新的解决路径。该研究获得国家自然科学基金联合基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家资助博士后研究人员计划及多项科研项目基金支持。
宏观物体的温度在微观世界中以组成物质的分子、原子的热运动得以体现，其中带电粒子的无规则热运动会以电磁辐射的形式向外辐射电磁波，通常被称为热辐射。由于热运动的无序特性，辐射的电磁波在时间和空间上通常不具备相干性，因此对热辐射的利用通常被限制在其能量传递方面，例如照明、取暖，作为电磁波，其信息载体的特性则很难被利用。虽然增加光学系统的复杂度，例如加入空间光滤波器，波长滤波器以及偏振片以及波片等光学元件可以在一定程度上实现热辐射波前调控功能，但是其低能量效率以及庞大笨重的系统限制了其进一步的发展，如图1a所示。上世纪激光的问世虽然提供了高效的电磁波前调制光源，但是由于增益介质的限制，并非能在任意电磁频段实现。
图1 (a)传统光学系统通过各种滤波器实现对热光的利用；(b)左侧：传统热辐射超表面的集群共振中引入结构变化对信号信噪比的影响；右侧：有损-无损表面通过单一谐振耦合可解耦结构变化对谐振的影响，实现复杂波前辐射。
因此，21世纪以来，人们开始重新关注热辐射的调制应用，并利用微纳结构的集群共振特性，实现了对热辐射的相干性增强以及偏振特性的控制。然而这种实现方法依赖周期性结构的谐振，只能实现均匀相位梯度的波前辐射（平行光）。更高自由度的辐射波前依赖结构变化的自由度（结构熵），这种结构的变化会极大地劣化的谐振的特性以及辐射信噪比，如图1b。因此，目前的热辐射的灵活波前调控仍然停留在理论阶段。本工作利用单一谐振通道耦合有损-无损表面，解耦了结构变化对谐振的影响，实现了对热辐射能量的复杂波前调制功能。
一、首次提出双漏斗模型解耦谐振与波前调制结构关联
图2 (a)双漏斗模型对分步实现对热辐射光子的收集，相干性增强以及波前调制功能；(b)热辐射超表面的物理结构：下方有损表面产生热光子并耦合到联通波导（waveguide,WG），在通过上方无损光栅以特定相位散射到自由空间。
在本项工作中，研究团队构造了双漏斗模型（图2a），下方有损漏斗被加热后产生热光子并被收集到中央谐振通道，并通过谐振增强其时间相干性，上方漏斗将长时间相干性的热光子转变为长程的空间相干性，并以设计相位辐射到自由空间，形成所需波前。
其物理结构如图2b所示，金属板双面被切割成不同的表面波光栅，下方光栅在设计频点形成谐振并与联通波导耦合，将热光子能量耦合到波导中，波导谐振延长光子相干性并耦合到上方光栅，并别特定位置的缺陷散射到自由空间中，实现设计波前的热辐射。该设计通过3组结构将能量收集，谐振相干增强以及波前调控在功能上结构，相比于传统热辐射超表面，引入了设计自由度。器件整体厚度1倍波长，3组结构近场耦合，相比于传统的笨重光学系统，提升了能量利用效率与器件的集成性。并且联通波导的单模谐振特性极大的抑制了传统光栅热辐射超表面的面内色散（kx）“彩虹”效应，波导的面外色散（ky）消色差能力提升了器件的辐射信噪比，为复杂的热辐射器件设计奠定理论基础。
二、实验上首次实现衍射极限的热聚焦功能
图3（a）表面波调制设计，Sc表示耦合表面区域，用于将波导（WG）中的输出能量耦合至人工表面等离激元（spoof SPPs）。Sr表示辐射表面区域，spoof SPPs在此处按设计位置散射，形成聚焦轮廓。(b)设计结构的本征模分布，插图为白色虚线区域的放大视图，强度经过重新调整以清晰显示波导模式图案。（c）超表面发射器的面外波矢量（ky）色散。（d）本征模焦距随ky的变化关系。(e-g) 随机偶极子激励下，xz、yz和xy平面上的系综平均强度分布。（h）实验装置示意图，样品背面涂有黑体层，通过加热板进行加热。采用安装在三维平移台上的毫米波探测器逐点采集热辐射图案。使用箔纸包裹的板状物阻挡来自加热板的背景热噪声。（i-k）实测的 xz、yz和xy 平面强度分布，标尺：3 mm。
根据双漏斗模型，研究团队设计了热聚焦器件，结构如图3a所示。图3b为器件的本征模响应，其器件的本证模式在自由空间中存在接近衍射极限的热聚焦特性，图3c-d为其面外色散的消色差能力，即不同的热光子会被分配到不同的面外波矢分量中，在相同的焦距处聚焦，提升器件的能量利用效率。图3e-f为器件在随机电偶极子激励下的能量分布的系综平均，其不同观测平面的能量分布符合设计预期。图3h-k为实验装置以及实验测试结果，与仿真结果基本吻合，验证了设计理念的有效性。
三、实验上首次实现热全息
图4 （a-d）偏振复用热全息演示；（h-k）空间复用热全息演示。标尺：1 cm。
在实现热聚焦的基础上，研究团队利用偏振复用的思想，将不同方向的辐射包络组合，实现了高品质的准二维的热全息（信噪比SNR=22），如图4a-g所示。此外，课题组还利用空间复用的思想，通过激励不同的联通波导，实现了不同热辐射全息的切换，如图4h-k所示。
本研究提出了一种简单而普适的热辐射超表面架构，为热辐射的高维度利用提供了解决方法，并首次在毫米波段，实验上实现了接近衍射极限的热聚焦以及热全息功能。除了作为热波前调控的物理演示之外，毫米波段产生的具有定制波前的高相干热辐射光的能力也具有重要的实际意义。在未来的下一代通讯系统中（6G），废热可以作为能源来驱动设计超表面，得到所需相干信号进行调制，解锁其在绿色能源通信中的应用前景。此外，该方案还可以放缩到中远红外波段，为红外防伪显示的小型化发展提供技术路径。
文章信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69088-7
供稿：课题组
