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

在光學(xué)成像的神奇世界里，一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)正悄然改變著我們對(duì)光的理解與應(yīng)用�？蒲袌F(tuán)隊(duì)成功利用二氧化釩（VO₂）構(gòu)建出多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái)，跨越可見光至微波波段，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的精準(zhǔn)“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(lái)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(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)李垚教授聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授研究團(tuán)隊(duì)，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(dú)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(gè)神奇的溫度節(jié)點(diǎn)，它會(huì)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(jiǎn)單的物理變化，它伴隨著能帶結(jié)構(gòu)的劇烈調(diào)整，進(jìn)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(fù)責(zé)可見光波段的動(dòng)態(tài)顏色調(diào)控。通過(guò)精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)反射波長(zhǎng)的藍(lán)移，如同為可見光的色彩變化裝上了一個(gè)“微調(diào)器”。舉例來(lái)說(shuō)，反射波長(zhǎng)可從610nm藍(lán)移至575nm，對(duì)應(yīng)著顏色從青色到紫色的夢(mèng)幻轉(zhuǎn)變，為光學(xué)成像的色彩調(diào)控帶來(lái)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(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)電介質(zhì)層厚度（如HfO₂從0到2000nm），實(shí)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(kuò)展至太赫茲和微波波段，極大地拓展了光學(xué)成像在長(zhǎng)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(shí)，展現(xiàn)出高透射率（>0.7），為需要能量傳輸?shù)膱?chǎng)景提供了便利，如熱管理中的被動(dòng)散熱。而在金屬態(tài)VO₂(R)時(shí)，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(shí)，通過(guò)BFP的F-P共振產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)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(dòng)態(tài)切換，打破了傳統(tǒng)材料在波長(zhǎng)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(shí)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(shí)間，猶如火箭般迅速。而且，該系統(tǒng)無(wú)需持續(xù)供電，僅需觸發(fā)相變即可，相比ECMs的離子遷移機(jī)制，大大降低了能耗，為光學(xué)成像設(shè)備的高效、節(jié)能運(yùn)行提供了有力支撐。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
傳統(tǒng)的電磁波動(dòng)態(tài)調(diào)控材料，普遍存在波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)控波段局限在單、窄譜段內(nèi)。而通過(guò)構(gòu)建超表面、光學(xué)腔等結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)調(diào)控幅度的方法，反而會(huì)使調(diào)控譜段進(jìn)一步窄化，嚴(yán)重阻礙了多、寬譜段電磁波動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地改進(jìn)并級(jí)聯(lián)了兩個(gè)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(duì)電磁波的反射問(wèn)題，在放大可見波段動(dòng)態(tài)響應(yīng)的同時(shí)，允許紅外-微波譜段電磁波透過(guò)，激活底層F-P光學(xué)腔。

同時(shí)，提出VO₂/HfO₂/VO₂/Si的四層結(jié)構(gòu)，顯著放大VO₂相變時(shí)的微小光學(xué)常數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)可見反射峰峰位60nm的藍(lán)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(duì)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(shí)現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)調(diào)控方式。

這種級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)不僅突破了波長(zhǎng)依賴性限制，還實(shí)現(xiàn)了超寬譜段電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控，大幅降低了超寬譜段器件的設(shè)計(jì)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(gè)人智能熱管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

總結(jié)與展望
此次基于VO₂的多光譜動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，是光學(xué)成像領(lǐng)域從理論到實(shí)踐的一次重大飛躍。它不僅在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了從可見光到微波波段的精準(zhǔn)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(lái)，該技術(shù)有望在多個(gè)領(lǐng)域引發(fā)變革。在生物醫(yī)學(xué)成像中，實(shí)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(guò)對(duì)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(guó)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(shí)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(lái)更多驚喜與可能。

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