5月28日，我校长聘副教授黄子劲在Nature Communications杂志上发表了题为“利用像素化非成像光学原理实现定向热发射和显示（Directional thermal emission and display using pixelated non-imaging micro-optics）”的研究论文。该团队采用双光子3D纳米光刻技术，制备了新型像素化红外发射器，以实现高效的热辐射定向传输。并通过调节每个像素的热辐射角度，开发出具备热伪装功能的定向红外显示技术。

在自然界中，所有高于绝对零度的物体都会发射热辐射。例如阳光就是太阳在极高温度下发射的热辐射。工业上使用的红外测温仪、安防领域使用的夜视仪都是探测热辐射的装置。传统的热辐射通常无偏振，无方向性，且覆盖广泛的波长范围。然而，这种无方向性的特点限制了辐射传热效率，不利于热感测、热成像及热能采集装置的发展。因此近几年国内外专家开发了不同的光子学技术，希望通过微纳结构实现高效的热辐射方向性控制。但是这些技术通常基于特定的振动或传输模式，具有偏振依赖、覆盖波长范围较狭窄的特点，其热辐射传输效率仍较低。

图1 偏振无关的宽带热辐射方向性控制

为解决以上问题，黄子劲团队开发了一种基于非成像光学原理的定向微型热发射器：由于光学扩展量（光束占据的面积与立体角之积）守恒，热辐射从发射器底部抵达顶部时占据的面积增大，角度范围因此缩小，产生方向性。这一过程不依赖于任何振动或传输模式，所以该发射器通用于不同偏振和波长。该发射器的单元被设计为正六边形，以获得高对称性并实现密铺，有利于高效地传输热辐射。研究团队通过以双光子3D光刻为核心的微纳加工流程，制备了具有高结构质量的微型定向发射器阵列。光谱测试验证了该发射器优异的方向性，并实现了超宽的波长覆盖范围（5-20 μm），远超过往工作。

图2 微米级非成像光学阵列及其发射谱

红外成像技术为该研究提供了更为直观的证据：随着观测角度的增加，定向发射器在红外图像中的亮度迅速下降，证明其具有显著的方向性。利用类似的方法，该团队拍摄了不同偏振方向下该发射器的红外图像，并发现其亮度基本不变，第一次实现了偏振无关的超宽带定向热辐射。

图3 热成像下的像素化定向微型热发射器（PDME）

在上述的微型定向发射器阵列中，每个六边形单元都可以充当一个用于红外显示的像素。在此基础上，研究团队发明了一种新型定向红外显示器。通过组合具有不同发射角宽度的微型发射器，使得热像仪从不同方向观察该阵列时会拍摄到不同的图案，以此实现红外信息的伪装。

图4 定向红外显示与伪装

这种像素化的非成像微型发射器首次实现了利用微纳结构对全偏振的宽带热辐射进行方向控制，能有效促进辐射冷却、红外光谱分析、热光伏及热伪装等技术的进步，为能源、传感和成像等领域的发展提供了新的视角。

宁波东方理工大学（暂名）博士后范子微为该论文的第一作者。宁波东方理工大学（暂名）信息学部长聘副教授黄子劲为该论文的通讯作者。

论文信息：Fan, Z., Hwang, T., Lin, S. et al. Directional thermal emission and display using pixelated non-imaging micro-optics. Nat Commun 15, 4544 (2024).

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48826-9

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