Light文獻：多光譜光學(xué)調(diào)控——從可見光到微波的全域動態(tài)成像

在光學(xué)成像的神奇世界里，一項創(chuàng)新技術(shù)正悄然改變著我們對光的理解與應(yīng)用�？蒲袌F隊成功利用二氧化釩（VO₂）構(gòu)建出多光譜動態(tài)調(diào)控平臺，跨越可見光至微波波段，實現(xiàn)對光的精準“駕馭”，不僅突破傳統(tǒng)材料限制，還為光學(xué)成像領(lǐng)域帶來前所未有的變革，從智能熱管理到多光譜偽裝，應(yīng)用前景廣闊。

這項重要發(fā)現(xiàn)來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)李垚教授聯(lián)合新加坡國立大學(xué)仇成偉教授研究團隊，相關(guān)成果以“Tunable VO₂ Cavity Enables Multispectral Manipulation from Visible to Microwave Frequencies”為題，發(fā)表于Light: Science & Applications。

重要發(fā)現(xiàn)
01VO₂的獨特相變特性
二氧化釩（VO₂）堪稱材料界的“神奇變色龍”，在340K（約67℃）這個神奇的溫度節(jié)點，它會發(fā)生從絕緣態(tài)（單斜晶，VO₂(M)）到金屬態(tài)（金紅石晶，VO₂(R)）的超快相變。這種相變可不是簡單的物理變化，它伴隨著能帶結(jié)構(gòu)的劇烈調(diào)整，進而引發(fā)光學(xué)性質(zhì)的顯著改變，在從可見光到微波的寬廣波段內(nèi)，其反射率、透射率和吸收率都像是被施了魔法一般發(fā)生變化。

（1）頂部F-P腔（TFP）：由VO₂/HfO₂/VO₂/Si層構(gòu)成，主要負責(zé)可見光波段的動態(tài)顏色調(diào)控。通過精準調(diào)節(jié)各層厚度，比如VO₂厚度設(shè)為500nm、HfO₂厚度靈活可調(diào)、Si基底為150nm，利用F-P共振效應(yīng)，實現(xiàn)反射波長的藍移，如同為可見光的色彩變化裝上了一個“微調(diào)器”。舉例來說，反射波長可從610nm藍移至575nm，對應(yīng)著顏色從青色到紫色的夢幻轉(zhuǎn)變，為光學(xué)成像的色彩調(diào)控帶來了新的可能。

（2）底部F-P腔（BFP）：由VO₂/電介質(zhì)層（如HfO₂）/VO₂構(gòu)成，聚焦于紅外到微波波段的透射、反射、吸收三態(tài)切換。金屬態(tài)VO₂(R)在這里充當(dāng)關(guān)鍵的反射層，研究人員通過精細調(diào)節(jié)電介質(zhì)層厚度（如HfO₂從0到2000nm），實現(xiàn)吸收峰位置在3-11μm范圍的靈活調(diào)控，甚至可將調(diào)控范圍擴展至太赫茲和微波波段，極大地拓展了光學(xué)成像在長波段的應(yīng)用潛力。

（2）紅外（IR）至微波（MW）波段：

三態(tài)光學(xué)切換：在絕緣態(tài)VO₂(M)時，展現(xiàn)出高透射率（>0.7），為需要能量傳輸?shù)膱鼍疤峁┝吮憷�，如熱管理中的被動散熱。而在金屬態(tài)VO₂(R)時，在紅外波段反射率顯著提升（可調(diào)性>0.7），可用于熱反射或電磁屏蔽；同時，通過BFP的F-P共振產(chǎn)生強吸收峰（吸收率>0.7），峰位置由電介質(zhì)層厚度調(diào)控，適用于熱管理或能量收集。

更為重要的是，首次實現(xiàn)同一系統(tǒng)在紅外到微波波段的透射、反射、吸收三種模式的動態(tài)切換，打破了傳統(tǒng)材料在波長依賴性上的束縛，為光學(xué)成像在不同波段的功能切換提供了全新思路。

（3）超快響應(yīng)與低能耗：

VO₂的超快相變特性使得系統(tǒng)響應(yīng)時間僅為0.9秒，相較于傳統(tǒng)基于電致變色材料（ECMs）的系統(tǒng)數(shù)十秒的響應(yīng)時間，猶如火箭般迅速。而且，該系統(tǒng)無需持續(xù)供電，僅需觸發(fā)相變即可，相比ECMs的離子遷移機制，大大降低了能耗，為光學(xué)成像設(shè)備的高效、節(jié)能運行提供了有力支撐。

創(chuàng)新與亮點
傳統(tǒng)的電磁波動態(tài)調(diào)控材料，普遍存在波長依賴性，這就像給材料的調(diào)控能力戴上了一副“枷鎖”，將其電磁波動態(tài)調(diào)控波段局限在單、窄譜段內(nèi)。而通過構(gòu)建超表面、光學(xué)腔等結(jié)構(gòu)來增強調(diào)控幅度的方法，反而會使調(diào)控譜段進一步窄化，嚴重阻礙了多、寬譜段電磁波動態(tài)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展。

研究團隊創(chuàng)新性地改進并級聯(lián)了兩個基于熱致相變材料VO₂的可調(diào)Fabry-Pérot腔（F-P腔），成功打破了這一困局。在頂層F-P腔中，使用Si層作為基底，巧妙解決了金屬層對電磁波的反射問題，在放大可見波段動態(tài)響應(yīng)的同時，允許紅外-微波譜段電磁波透過，激活底層F-P光學(xué)腔。

同時，提出VO₂/HfO₂/VO₂/Si的四層結(jié)構(gòu)，顯著放大VO₂相變時的微小光學(xué)常數(shù)變化，實現(xiàn)可見反射峰峰位60nm的藍移。在底層F-P腔中，利用VO₂作為底層反射層，其在不同狀態(tài)下對紅外-微波波段電磁波的不同響應(yīng)特性，結(jié)合基底的選擇，實現(xiàn)多種動態(tài)調(diào)控方式。

這種級聯(lián)設(shè)計不僅突破了波長依賴性限制，還實現(xiàn)了超寬譜段電磁波的動態(tài)調(diào)控，大幅降低了超寬譜段器件的設(shè)計難度，為多光譜和自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域開辟了新的道路，在多譜段自適應(yīng)偽裝、個人智能熱管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。

總結(jié)與展望
此次基于VO₂的多光譜動態(tài)調(diào)控技術(shù)，是光學(xué)成像領(lǐng)域從理論到實踐的一次重大飛躍。它不僅在實驗中實現(xiàn)了從可見光到微波波段的精準光調(diào)控，更在創(chuàng)新層面突破了傳統(tǒng)材料與技術(shù)的瓶頸，為后續(xù)研究提供了全新范式。

展望未來，該技術(shù)有望在多個領(lǐng)域引發(fā)變革。在生物醫(yī)學(xué)成像中，實現(xiàn)更清晰、多維度的人體組織成像，助力疾病診斷與治療；在智能建筑領(lǐng)域，通過對光和熱的自適應(yīng)調(diào)控，打造更加節(jié)能、舒適的室內(nèi)環(huán)境；在軍事國防方面，多光譜偽裝技術(shù)將使裝備和人員在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)更好的隱身效果。隨著研究的深入與技術(shù)的優(yōu)化，相信這一成果將持續(xù)拓展光學(xué)成像的邊界，為人類生活和科學(xué)研究帶來更多驚喜與可能。

DOI:10.1038/s41377-024-01400-w.