定向热辐射能在特定方向上与周围环境进行热耦合，这在辐射冷却，热传感和热光伏等领域具有重要意义。过去利用纳米结构，如声子极化激元光栅、等离子体超表面、纳米天线和牛眼结构等，在窄光谱范围实现了定向热辐射。但这种窄带热辐射忽略了理想黑体的大部分热发射波段，严重降低了辐射效率。为了提高辐射性能，研究者们提出了一些拓宽定向辐射波段的方法，如利用布鲁斯特效应、阻抗工程和梯度介电常数近零材料（ENZ）。然而，这些宽带定向热辐射器具有很强的极化依赖性，其辐射效率最多只有极化无关的理想定向热辐射器的一半。为了实现高效、定向的热辐射，东方理工大学长聘副教授黄子劲通过像素化非成像光学原理，将光学拓展量守恒原理应用到微纳尺度，设计了一种极化无关的宽波段定向热辐射结构。该结构实现了对热辐射的可调谐角度控制，在不同角度下产生了较大的发射率对比度。相关工作以Directional thermal emission and display using pixelated non-imaging micro-optics发表在Nature Communications期刊。

图1展示了极化无关的热辐射宽波段定向控制。相较于黑体的半球空间辐射特性，像素化定向微发射器（PDME）仅在特定角度具有高发射率，且这种发射特性可以在不同极化和宽波段内保持，其辐射性能优于极化依赖，窄带和全向发射器。

图1极化无关的热辐射宽波段定向控制

图2展示了三维像素化定向微发射器的结构和角分辨光谱发射率。PDME由多个微小的像素组成，每个像素都是一个独立的热辐射单元，可以独立控制热辐射的方向。基于光学拓展量守恒，PDME的高定向热辐射特性可以通过微抛物面反射器的几何形状和位置的设计实现。通过调整微抛物面反射器的焦点位置和角度，能够将热辐射限制在非常狭窄的角度范围内。而利用边缘射线原理可以确保所有热发射都映射到设计的角度范围内，以实现高热辐照度和尖锐的角度截止。PDME由多层材料构成，包括底层的高发射率材料（如SU-8涂层的黑体），以及顶层的金属反射层（如银涂层）。其像素结构采用六边形对称设计，以便于在二维平面上平铺并最小化方位各向异性。实验制备的15°-PDME在5 - 20 μm的超宽波长范围内呈现出方向选择性发射特性，平均发射率从0°时的0.8急剧下降到40°时的0.1左右。而且该结构不同波长下的发射率几乎不发生变化，展示了在超宽波长范围内对方向进行均匀控制的能力。

图2像素化定向发射器的结构和角分辨光谱发射率

图3展示了不同发射角和极化角的像素化定向微发射器的热成像图。当发射角q从0°增加到30°时，15°-PDME的观测温度急剧下降，表明相应的发射率迅速下降；而旁边的准各向同性发射极在各个角度都保持了较高的发射率。在± 16°的观测角度，15°-PDME的发射率始终大于峰值发射率的一半，这与设计值15°的理想情况十分吻合。这些结果验证了PDME在不同角度下的近黑体到镜像切换能力。而在q = 0°时，15°-PDME不同偏振角度的热成像近乎相同，证明了其热辐射的极化无关性。

图3像素化定向发射器的热成像

PDME在像素化红外显示、热伪装和信息编码等方面具有较好的应用。图2.4展示了像素化定向编码红外显示器。通过掺杂不同设计角度的像素，复合PDME可以对红外信息进行定向编码，确保正确的红外信息只在特定角度可被获取。如15°-和30°-的复合PDME可将红外信息隐藏在30°观测角，而在其他角度，红外信息将被伪装或被错误信息取代，从而实现热伪装的效果。

图4像素化定向编码红外显示器

总结：该工作设计了一种像素化定向微发射器来实现超宽带极化无关的热辐射。相较以往的定向热发射器，PDME在许多方面的性能都得到了提升，包括极化无关性、高发射率（> 0.8）、窄角范围（低至± 11°）和超宽工作波长范围（5 - 20 μm），实现了高效热辐射。而通过设计单个PDME像素的发射角度范围，该工作进一步证明了其信息编码能力，实现红外信息的伪装。此外，PDEM还具有在集成平台上轻薄和便于构造与扩展的优点。利用像素化非成像光学原理实现定向热辐射的方法将影响辐射冷却、热光伏和传感设备的应用，扩大安全通信的范围，并为红外伪装和加密铺平道路。

论文信息：Fan ZW, Hwang T, Lin S, et al. Directional thermal emission and display using pixelated non-imaging micro-optics. Nature Communications, 2024, 15: 4544.

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与交流，不代表本公众号立场。如有不当，请联系我们处理，欢迎投稿分享！

联系方式：spacethermalradiation@gmail.com.