上海光机所在亚波长超构薄膜红外防伪技术研究方面取得新进展

近日，中科院上海光机所邵宇川研究员团队，报道了一种面向红外防伪应用的偏振敏感型长波红外窄带热辐射器。研究人员使用亚波长双层超构薄膜结构（金属层+声子极化介质层），实现了偏振敏感的长波红外热辐射响应。利用长波红外相机结合偏振片旋转的测试方案，有效验证并演示了该热辐射器在红外防伪应用中的独特功能与潜力。研究成果以“Polarization-Sensitive Long-Wavelength Infrared Narrowband Thermal Emitter for Anticounterfeiting”为题，发表于ACS Applied Optical Materials。

实现长波红外(LWIR，8-14 μm)波段的灵活热辐射调控在红外隐身、辐射制冷、气体传感和红外防伪与加密等领域具有重要价值，但通常面临两大挑战。（1）自然材料局限性。黑体热辐射呈宽带特性且缺乏偏振选择性，III-V族半导体（如GaP）的声子吸收波段通常位于20–60 μm，难以覆盖LWIR大气窗口。现有的长波红外声子极化材料（如SiO2、TiO2）的偏振消光比（PER）普遍低于10，难以满足高安全性防伪需求。（2）制备工艺瓶颈。超构表面、光栅等人工微纳结构依赖高成本光刻技术，难以实现大面积制备，也难以兼顾光谱与偏振同时调控等多功能应用需求。

针对上述挑战，研究团队提出了一种低成本、可大面积制备的双层超薄热辐射器，该器件基于亚波长双层超构薄膜（900nm的多晶WO3极性介质层和100 nm的Au薄膜），通过调控其偏振参数实现高安全性光学防伪应用。研究首次将退火后的WO3薄膜（新型声子极性介质材料）用于LWIR偏振敏感热辐射控制，利用Berreman共振模式与FP干涉模式的协同调控，突破传统氧化物薄膜的偏振消光比限制（实验测试的PER达23.2）。最后，通过旋转加装在LWIR相机前的偏振片角度，实现了SIOM标志图案的动态显隐（TM偏振清晰可见，TE偏振完全隐藏），证实了器件的高安全性红外防伪能力。研究团队通过材料体系创新（WO3）与共振方式创新（Berreman+FP）解决了LWIR窄带热辐射的高消光比偏振控制难题，为红外防伪与加密技术发展提供了新范式。

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图1. (a) 提出的亚波长双层超构薄膜红外窄带热辐射器示意图，该结构由顶层声子极化介质层和底层金属组成。(b)-(e) 该热辐射器在TE和TM偏振下的理论和实验变角度吸收谱，呈现出明显的偏振敏感吸收特性。

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图2. (a) 用于红外防伪应用的偏振敏感型长波红外窄带热辐射器探测示意图。该辐射器利用热板加热发射长波红外窄带热辐射，随后通过旋转偏振片角度使长波红外相机进行偏振选择性探测。(b)-(c) 实验测量的变偏振角度热辐射强度谱和峰值波长处的偏振角度分布图，这里对应的入射角固定在60°，峰值波长为10.17μm。(d) 定制的SIOM标志图案可见光照片。 (e)-(k) 不同偏振角度下的长波红外成像图，显示出优异的红外偏振防伪效果。

相关工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国科协青年人才托举工程等项目的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1021/acsaom.5c00024