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上海光机所在深亚波长长波红外吸收/辐射调控研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部团队在深亚波长长波红外吸收与热辐射调控研究方面取得新进展。研究团队提出并实验验证了一种基于超高折射率材料的无光刻Cr/a-GST/Bi平面金属-介质-金属（MIM）吸收器，在总厚度仅550 nm的条件下实现了长波红外（LWIR，8-14 μm）大气窗口内的宽带高效吸收，并具有大角度、偏振不敏感等特性。研究成果以“Deep-subwavelength long-wavelength infrared absorber enabled by giant-refractive-index materials for thermal bolometer and camouflage”为题发表于Optics Express。

长波红外波段与室温物体的主要热辐射波段高度重合，在红外热成像、红外传感和热伪装等领域具有重要应用价值。实际应用要求吸收器兼具高吸收率、宽带响应、角度与偏振稳定性、超薄厚度和规模化制备能力。传统长波红外超构吸收器多依赖光刻制备的横向微纳谐振结构，存在制备复杂、成本较高和大面积制造困难等问题，同时其吸收性能容易受到入射角和偏振状态影响。因此，发展无需复杂图形化加工、同时兼顾超薄、宽带和鲁棒光学响应的长波红外吸收器仍面临挑战。

针对上述问题，研究团队从材料本征光学性质与平面光学腔协同设计出发，引入超高折射率铋（Bi）和高折射率、低损耗非晶态Ge2Sb2Te5（a-GST）材料。在长波红外波段，Bi折射率实部接近10，a-GST折射率约为3.7。研究人员将40 nm Bi、410 nm a-GST和100 nm Cr组成平面MIM光学腔，无需横向微纳图形和光刻加工。实验结果显示，器件在9.6 μm处的峰值吸收率达到97.0%，吸收峰半高全宽约为5.6 μm。分层吸收分析进一步表明，9.6 μm处超过85%的入射光能量集中耗散于40 nm厚Bi层，而相同厚度独立Bi薄膜吸收率仅约27%，表明高效吸收来自巨折射率Bi与MIM光学腔的协同作用。器件在入射角增大至70°时仍保持稳定强吸收；在60°斜入射下，TE至TM偏振变化引起的9.6 μm吸收率变化仅约5%，表现出良好的角度和偏振鲁棒性。

图1. Cr/a-GST/Bi平面MIM深亚波长长波红外吸收器结构、材料光学常数及实验/理论吸收光谱。

基于超薄、高吸收和Bi主导的能量耗散特性，研究团队进一步探索了器件在非制冷红外微测辐射热计和热伪装中的应用潜力。Bi薄膜的电阻温度系数（TCR）约为-0.30% K⁻¹；有限元热模拟显示，当Bi层温升为10 K时，底部Cr层温升仅约0.2 K，说明a-GST间隔层能够有效抑制热量向衬底扩散。另一方面，器件在8-13 μm波段的平均发射率约为0.77，在9.6 μm附近的峰值发射率超过0.99。长波红外成像实验显示，样品置于人体手部等高热辐射背景时与周围皮肤呈现较弱红外热对比，验证了其被动热伪装能力。该研究为低成本、大面积非制冷红外探测和多功能热辐射调控器件提供了新的材料与结构设计思路。

图2. Cr/a-GST/Bi MIM吸收器的分层吸收与电磁场分布。（a）总吸收光谱及Bi、a-GST和Cr各层吸收贡献；（b）9.6 μm处各层吸收占比；（c）9.6 μm处归一化电场、磁场及时间平均功率耗散密度分布。

图3. 器件的热敏响应、热局域模拟及长波红外成像结果。

相关工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金和中国科协青年人才托举工程等项目的支持。

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