近日，2023伊甸直达入口音物电学院韩张华教授课题组提出一种利用布里渊区折叠诱导的准束缚模来实现超高相干热发射的方法，相关成果以“Exploiting Zone-Folding Induced Quasi-Bound Modes to Achieve Highly Coherent Thermal Emissions”为题发表在《Nano Letters》上。博士生孙开礼为论文第一作者，韩张华教授为论文通讯作者，合作者还包括以色列耶路撒冷希伯来大学的Uriel Levy教授。
传统热辐射是由物体中的各种热波动引起的，因此是宽带的、全向的，通常被认为是非相干的。如何使用人工方法选择性地增强规则热发射中的特定过程，以最终实现具有受控特性的辐射输出，例如光谱带宽、光束轮廓、空间分布、偏振等，代表了一种新的研究方向。近年来，全介质结构中的紧束缚态模式，包括准连续域中束缚态及准导模等，因其能够实现超窄的共振线宽而被人们广泛关注。基于此，该团队先前在理论和实验上实现了超高时间相干热发射（Nanophotonics. 10(16): 4035–4043(2021)，Int. Commun. Heat Mass Transfer. 143 106728 (2023)），为下一代非色散红外（NDIR）系统等应用提供了优异的光源。而对于具有空间相干需求的热辐射源来说，尤其法向输出，光锥下方具有天然陡峭色散分布的导模（GM）表现出极其显著的优势（Phys. Rev. Appl. 20(2), 024033 (2023)）。
本工作中，他们在前期研究的基础上，基于三元光栅中的能带折叠效应，在Γ点附近实现了极小能谱间隙和非圆滑色散的高Q因子准导模，在此同时能够将原始布里渊区中k=2π/3P处陡峭且连续分布的导模色散出现在Γ点，从而法向输出对应的频率仅仅出现在极小的Δk范围内，这是实现超高相干热发射的关键。他们理论分析和实验验证了该热辐射源的各项优异的特性（时间相干、空间相干、偏振依赖、单色性，光谱可调等等）。重要的是，通过计算，其法向输出的空间相干长度能够达到0.491mm，如果使用单晶Ge和ZnS，并结合低对比度光栅的设计，法向输出的空间相干长度能够达到1.327cm。这种结构简单、性能优异的热辐射源有望成为下一代非色散红外（NDIR）传感系统等应用中代替昂贵且受国外封锁的中红外量子级联激光器的重要组成部分。
本项研究受国家自然科学基金面上项目资助。
