热辐射是一种普遍存在的自然现象，也是一种由辐射电磁能引起的基本热传递过程。随着对电磁波如何与微纳结构相互作用的深入理解，辐射热传递和纳米光子学领域已融合为一个跨学科领域，专注于控制亚波长尺度的热辐射。通过操纵纳米结构（如超表面）的近场相互作用、几何相位和电磁模式，可以实现对发射光谱、方向性和偏振的精确复杂控制。这种控制使得超表面热辐射器在红外探测、辐射冷却、热光伏和热伪装方面具有重要潜力。特别是对于红外探测，具有完美匹配气体分子吸收信号的吸收峰的高Q因子热辐射器能够更高效、更精确地识别和分析气体混合物成分，从而显著提高红外探测精度。它们的角度不敏感特性还确保了在不同空间角度下的单色热辐射。这增强了痕量气体浓度波动，并进一步提高了红外探测灵敏度。因此，同时考虑高Q因子和最小角度色散对于实现卓越的红外探测热辐射性能至关重要。
迄今为止，已提出了各种机制和结构来同时调整热辐射的光谱和角度特性。通过图案化极性材料激发的表面声子极化子已被代表性地提出，利用Reststrahlen带内的高反射率，通过周期性纳米结构产生相干辐射。然而，在这些情况下，工作波长在角度范围内表现出强烈的色散，如补充信息图S14所示。不同的是，由金属-介质-金属超表面支持的局域磁极化子也已被证明具有角度不敏感的发射特性，但由于金属材料固有的高损耗（图1a中的黄色标记），这种方法遭受低质量因子的影响。最近，连续谱束缚态（BICs）已成为一种有效控制光在光子系统中传播的方法，具有几乎无限的质量因子。在实践中，通过引入结构缺陷或参数变化，完美的束缚态转变为具有有限质量因子的准连续谱束缚态（QBICs）。利用这种机制，可以使用有损金属衬底和介电结构实现更高Q因子的窄带热辐射器。然而，QBICs通常嵌入在具有陡峭色散关系（图1a中的紫色标记）的未优化光学模式中。一旦偏离法向入射，发射光谱将显著偏离目标工作波长，导致宽带共振。这进一步削弱了微弱热辐射信号的强度，并对能量利用效率产生负面影响。
平坦带色散和高Q特性在广角发射下提供单色热辐射信号。然而，设计满足这两个特征的系统面临挑战，例如平坦带的慢光特性会放大吸收损耗的影响，以及制造缺陷引入散射损耗，导致低Q因子特性。许多努力已针对高阶反铁磁模式和耦合Tamm声子和等离子体极化子（图1a中的橙色和灰色标记）。然而，这些研究仅讨论了模式局域化远场发射光谱的影响，忽略了角度色散的优化。最大Q因子为400，平坦带范围大约限制在55°。最近，区折叠技术为操纵色散关系提供了一种新方法。利用区折叠理论将最初在光线以下但在第一布里渊区内翻转到光线以上的模式。这种方法为不同模式的有效耦合提供了更多通道，以进一步平坦化带色散。然而，在这种情况下，角度不敏感特性仍然局限于Γ点附近（图1a中的深棕色标记）。进一步考虑具有层耦合的超表面系统的扭曲，研究人员在莫尔晶格中实现了高度局域化的模式和平坦带。然而，复杂的制造工艺和莫尔旋转角的精确控制使其难以在实际应用中广泛实施。表S1包含了与其他方法实现的性能比较。因此，需要进一步探索设计解决方案，以在更宽的角度范围内实现超窄带和角度不敏感热辐射。
图 1. 超窄带且角度不敏感的超表面热辐射设计。
在这项工作中，上海交通大学赵长颖教授团队提出了具有极宽角度不敏感范围和高Q发射特性的窄带超表面热辐射器（图1a中的红色标记）。这种设计的关键在于结合了超表面的高度和晶格扰动，它们分别用于精确调节光学模式的平面外和平面内耦合。在这种情况下，Q因子可以通过圆柱形超原子的高度扰动来调整，并且通过超表面的晶格扰动可以获得角度不敏感带。进一步揭示了磁偶极子和电四极子对共振行为的贡献，并展示了梯度参数阵列设计的波长可调性，旨在实现高精度多气体检测。最后，所提出的热辐射器采用标准光刻技术制造，其卓越性能，包括超窄带宽和角度不敏感性，已通过角度分辨发射光谱测量得到实验验证。
高度扰动与晶格扰动协同调控实现高Q因子与极宽角度不敏感性并存的窄带热辐射器
提出利用准连续谱束缚态（QBICs）并同时引入平面外的高度扰动与平面内的晶格扰动，分别精确调节模式耦合与色散关系，实现超窄带、强局域化、且在全角度范围内保持几乎不变的共振波长。该策略克服了传统 BIC 热辐射器角色散强、制造容差低的问题，使 Q 值高达 650，角度漂移仅约 0.025 μm。揭示磁偶极子—电四极子耦合主导机制，建立高Q窄带热辐射物理基础
明确了磁偶极子（MDs）与电四极子（EQs）的协同贡献是强局域电磁场与Fano共振形成的关键，而周期性超表面的模式耦合显著放大了场强并抑制辐射损耗，为高Q准BIC提供了稳定机制依据。实现可大规模制造与波长可调谐能力，推动片上高精度红外探测应用
所提出结构可通过标准光刻工艺制备，实验验证了其超窄带宽、高发射率及角度不敏感性能。同时，通过调节纳米柱尺寸，可精准覆盖 CO₂ 等气体的吸收带，实现片上可扩展的红外高灵敏检测与多通道微型光谱仪应用。
1. 设计原理与仿真结果
超窄带和角度不敏感超表面热辐射器由金属衬底（金）上的二氧化硅（SiO2）和非晶硅（aSi）纳米柱的规则六边形阵列组成，如图1b所示。在此，我们提出了两个扰动参数：高度扰动（ΔH2）和晶格扰动（Δy），以在考虑BICs和Mie模式耦合的情况下调整Q因子和控制角度色散。图1c和1e部分说明了涉及参数变化的设计过程的概念图。ΔH2改变了平面外方向上镜像对称Mie模式之间的相位差，从而诱导BICs现象的发生并调整了图1d所示的质量因子，而Δy改变了排列模式并影响了单元格内平面内方向上的模式耦合，从而影响了动量空间中模式的色散关系并形成了图1f所示的在宽波矢范围内的相对平坦带。
图2. 超窄且角度不敏感的热辐射器的仿真分析。
基于设计理念，我们对超窄带和角度不敏感热辐射进行了详细的仿真分析。发射特性可以通过基于严格耦合波分析计算的结构吸收率来确定。所有材料的介电函数可在图S1中找到。图2a显示了发射映射光谱，在斜向发射从-89°到+89°时，共振峰的波动仅为0.025 μm，表明完美的平坦带性能。在整个角度范围内，平均发射率超过0.5。图2b展示了所设计的超表面热辐射器在法向输出方向的发射光谱。该光谱显示出非对称线形特征，即Fano共振，这意味着在共振峰λ = 4.248 μm处存在模式耦合。通过Fano拟合获得了Q = 650的高质量因子，这表明了优异的红外单色特性。与图1a中其他设计和优化方法相比，它展示了出色的窄带和角度不敏感特性。由于纳米柱晶格的C6对称特性，发射光谱在法向输出方向上表现出偏振无关性。然而，由于在大斜角下横磁偏振的角度敏感性，这种现象消失了，如图S2所示。在图2c中，模拟的电磁场在共振波长处增强了20.3倍，并局域在介电纳米柱内部和表面。有趣的是，电场矢量在aSi纳米柱的xz截面中形成了一个顺时针涡旋，揭示了磁偶极子激发的特征。
为了阐明电磁模式在高Q特性中的作用，我们采用了电磁多极展开方法结合电磁场图像理论（详细信息见S3节）。在周期性边界条件下，通过有限差分时域（FDTD）方法获得的谐振器的电磁多极展开结果如图2d所示。它揭示了电偶极子（EDs）、磁偶极子（MDs）、电四极子（EQs）和磁四极子（MQs）对散射截面的贡献。由于图像模式与实际模式反平行，EDs和MQs的贡献在整个光谱中可以忽略不计。相反，在共振峰附近观察到MDs和EQs的显著共振特征，这意味着对强局域电磁场的主要贡献是MDs和EQs的耦合。由于MDs的散射截面峰值几乎是EQs的三倍，MDs对远场的影响更为显著。当涉及到孤立纳米柱时，MDs和EQs的耦合现象消失，取而代之的是图S3c中所示的三个独立的共振峰。散射截面的强度比周期性情况弱两个数量级，这表明周期性排列和Mie模式的耦合对于高度局域化模式至关重要。
通过利用BICs理论操纵高度扰动，可以调整质量因子和完美发射。类似于Fabry-Perot腔，当两种模式之间的相位差累加到2π的整数倍时，BICs形成。通过保持其他结构参数不变，我们计算了图2e中不同二氧化硅层厚度和图S5中aSi层厚度下的发射光谱。正如预期的那样，当H2 = 0.365 μm时，Q趋于无限大，发射率趋于零，这表明辐射损耗被消除。同时，图S4显示了当我们考虑镜像对称全介质纳米柱模型时，高对称Γ点附近的Q分布。一旦远离Γ点，Q迅速下降，突出了BICs的空间对称保护特性。此外，远场偏振矢量无法定义，从而形成一个带有+1拓扑荷的涡旋中心。当H2偏离0.365 μm时，发射率增加到1然后下降，而Q迅速下降。在图2g中，当H2 = 0.32和0.412 μm时，可以观察到两种完美发射状态，称为准BICs（QBICs），用灰色圆圈表示。当研究实空间中的反射相位Φ(λ) = arg[r0(λ)]时，我们可以观察到这两个QBICs对应于两个不同的拓扑相位奇点。围绕两个拓扑奇点逆时针追踪，可以获得±2π的累积相位，表明±1的拓扑荷。因为完美发射的条件是无辐射损耗等于辐射损耗，所以调整材料损耗使我们能够观察到两个QBIC点接近BIC点并且质量因子随着材料损耗增加而逐渐减小的现象，如图S6所示。观察到光谱空间中的BICs点几乎不受金属材料损耗的影响，这也证实了镜像对称介电模型的合理性。
我们进一步研究了晶格扰动对能量-动量关系的影响，以证明发射光谱的角度不敏感性。我们计算了带曲线并提取了所研究的相同固有模式，其中D = 1.2 μm。扰动参数Δy设置为图2h中所示的中间列纳米柱在y方向上的坐标变化。当Δy从0变化到y方向周期Py/2的一半时，周期性结构的排列从矩形模式变为规则六边形模式。由于对称性，当Δy从Py/2变化到Py时，它是前者的逆过程。在Γ点附近，六边形排列的能带结构显示出局部平坦带并表现出较小的变化，群速度接近零，表明局部慢光特性。因此，我们计算了在横电（TE）偏振下，Δy值从0°到89°变化的发射光谱，并提取了图2h所示的共振波长。它清楚地表明，随着晶格扰动，带曲线逐渐变得平坦。随着扰动的减小，共振波长的变化从120 nm变为20 nm。这种现象可以通过S8节中的耦合模式理论来解释。
角度不敏感发射光谱的实验结果。
大尺寸样品采用标准光刻技术制造，并展示了无掩模激光直写技术，如图3c所示。超表面的有效面积约为100 mm2，以获得可检测的发射信号并满足实际应用的要求。层横截面验证了薄膜的厚度。使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪测量了各种角度下的发射率和吸收率光谱，角度分辨率为1°。图3a和3d部分显示了角度分辨发射和吸收实验测量简化光路的示意图。具体的测量设置和角度准直仿真可在S9节中找到。
图3. 制备的大尺寸样品及TE偏振下角度分辨发射率的实验测量结果。
超窄带宽和角度不敏感性的突出性能得到了测量结果的证实。在TE偏振下，随着入射/出射角增加，光谱峰值表现出轻微的偏移，如图3b、e所示，这与仿真结果一致。图3f专门展示了从0°到80°变化的热发射光谱。这表明当发射角改变时，峰值发射波长几乎不受影响。同时，图3g展示了225、250和275°C下的热发射光谱。由于硅固有的热光学效应，随着加热温度升高，发射的峰值波长发生红移，从而实现窄带发射的动态调节。这一特性也通过图S10中的仿真结果得到验证，计算中使用的不同温度下aSi的折射率可在S11节中找到。共振峰波长的不匹配和Q值下降（测得Q = 135）主要是由于S11节中解释的加热过程中热应力不匹配导致的薄膜膨胀引起的损耗增加。尽管如此，发射率仍保持在较高水平（超过0.7）。这些发射测量结果验证了所提出的超表面的高Q和角度不敏感性。极宽的角度不敏感宽度特性表明了漫射热发射特性。因此，半球空间中的有效热辐射能量显著增加。
波长可扩展能力
为了阐明结构在芯片上的波长可扩展能力，还制造了具有不同直径的微米级超表面热辐射器阵列，如图4a所示，包括光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）图像。考虑到有限尺寸阵列，发射光谱可以保持高品质因数和发射率，如S12图所示。在TE偏振光的激发下，所设计的热辐射器可以通过柱的直径实现共振调谐。
图4. 设计的微米级超表面热辐射器阵列及实验测量结果。
图4b显示了直径从1.16到1.3 μm，间隔0.01 μm的不同直径的模拟发射光谱，展示了共振峰的高Q和可调性，覆盖了4.15到4.45 μm的光谱范围，这精确覆盖了二氧化碳的分子吸收范围。图4c显示了直径D = 1.18和1.22 μm的超表面的任务映射光谱。它表明改变直径参数不会对角度不敏感性产生任何影响。此外，通过结构缩放因子，这种可调谐光谱范围可以扩展到中红外区域的其他目标气体，如S13节所述。采用带有FTIR光谱仪（Bruker Vertex 70v）的显微反射光路进行吸收信号测量。受物镜数值孔径的限制，红外光以大约12-24°的倾斜角度照射样品表面，如图4a所示。因此，热辐射器阵列的测量光谱是该角度范围内的平均结果，如图4d所示；随着直径从1.16到1.28 μm变化，发射率峰值在4.15-4.4 μm范围内红移。当纳米柱的直径偏离最佳情况1.2 μm时，发射峰的振幅和Q因子值也逐渐减小。对于TE偏振，实验测量光谱与模拟结果一致，并且可以观察到超窄线宽（Q = 210）。图4d中的测量结果进一步验证了梯度阵列设计的波长调谐能力。综合大尺寸样品和微米级阵列的测量结果，我们的设计展示了大规模片上热辐射器阵列集成和基于热光学效应的动态发射率调谐机制的潜力，在中红外范围内的非色散红外分子检测、红外光源和微型光谱仪方面具有广阔的应用前景。
