論文信息：

Haoxuan Xun, Hang Wei, Jian Chen, Rui Wang, Huan Guan, Hongyu Zhu, Shuliang Dou, Jinxin Gu, Yunbin He, Xiaofeng Li and Yaohui Zhan, Scalable VO2-metal metasurface enabling adaptive and frequency-selective infrared switching, Nanophotonics (2025).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1515/nanoph-2025-0074

研究背景

紅外窗口支持的紅外檢測在民用和軍事領域均有重要應用。然而，傳統紅外窗口在可見光到紅外區域具有透明性，使其易受激光影響。二氧化釩(VO?)在約68°C時可逆相變引發的紅外透明-反射特性，使得VO?成為自適應光學開關的理想材料。基于VO?的紅外開關主要分為兩類：發射率調制和透射率調制。前者由于金屬反射器的存在限制了透射率的調制能力以及在紅外窗口的應用。后者由于VO?的弱波長選擇性光學行為會降低VO?薄膜在紅外窗口中的性能。為緩解這一問題，通常在VO?上方放置頻率選擇表面(FSS)，促進波長選擇性透射率調制。但FSS的尺寸通常限制在小于1 mm，不利于大規模制造和實際應用。因此，迫切需要一種結合動態、波長選擇性透射率調制和適合可擴展生產的較大微結構的紅外開關。現有研究集中于中紅外波段，可見光/近紅外區域的動態調制能力尚未被探索。在更寬的光譜范圍內全面了解這些特性對可調諧高功率激光器的應用至關重要。

研究內容

本文提出了一種集成到紅外窗口中的動態和光譜選擇性紅外開關，設計為在正常開啟狀態下僅傳輸中紅外光，同時抑制其他波長，特別是在高功率激光器主導的可見光和近紅外范圍內。

如圖1a-b所示，該裝置包括紅外透明的CaF?襯底、相變VO?層和鋁超表面層，利用VO2相變的可調諧介電常數在ON和OFF狀態之間生成高透射率對比度。通過進一步優化，將Al超表面的最小特征尺寸擴大到微米。圖1c和d分別給出了ON和OFF狀態下的理想透射率和反射率光譜。當狀態從ON切換到OFF時，特定窄帶內的透射率從1降低到0，而反射率從0上升到1，在其他波長中，反射率保持1。

圖 1.設計目的和物理概念。集成自適應開關的紅外窗口后方紅外探測器的(a)“開啟”狀態和(b)“關閉”狀態示意圖。在開啟狀態下，紅外窗口僅需將中紅外光傳輸至熱成像儀進行信號檢測；其他非所需光線因潛在干擾和威脅需被阻擋。一旦施加外部刺激（如激光照射），紅外窗口將利用相變層的熱誘導絕緣體-金屬相變(IMT)關閉所有光學通道，轉為關閉狀態。(c)和(d)分別為(a)和(b)狀態下的理想透射率（紅線）/反射率（藍線）光譜。

為了找到滿足可擴展尺寸和可調光譜特征需求的最佳結構參數，使用COMSOL Multiphysics軟件模擬與溫度相關的透射率和反射率光譜。如圖2a所示，該器件包括一個CaF2紅外窗口圖層，一個VO2相變層和Al超表面，其特點是交叉槽陣列排列在方形晶格中。

通 過透射光譜與I和W的函數關系的等值線圖，研究結構參數對透射諧振的影響。如圖2b-d，可以看 出該器件具有出色的光譜選擇性和較高的透射率效率，從而在性能、制造簡單性和更大尺寸的加工可擴展性之間實現了平衡。在圖2e所示的ON狀態下，大氣窗口內有一個透射率峰值，便于熱光電探測器收集紅外信號。此設計中光譜選擇性允許中紅外光傳輸，同時有效阻擋其他波長，這一特性增強了復雜條件下設備的安全性 。

圖 2.器件結構和由結構參數調制的光譜響應。(a)中紅外開關系統的詳細配置，包括CaF2紅外窗口圖層、VO2相變層和Al納米結構超表面。(b)具有優化特征尺寸的紅外開關的透射率（紅線）和反射率（藍線）。實線表示ON狀態情況，虛線表示OFF狀態。(c-d)透射光譜的等值線圖分別作為(c) I和(d) W的函數。(e)透射率峰值(λp)在不同(l,w)組合下。虛線等值線突出顯示了10.6 μm波長處的透射率峰值。

圖 3.自適應紅外開關的物理機制。(a-e)分別在x-y (a,b,c)和 x-z (d,e)平面上歸一化的電場和磁場分布和矢量。為了清晰起見，場強以對數刻度表示。頂部面板和底部面板分別對應于ON和OFF狀態。(a) x-y平面上的電場強度;(b) x-y平面上的電場矢量;(c) x-y平面上的磁場矢量;(d) x-z平面上的電場強度;(e) x-z平面上的磁場矢量;(f)相變感應光開關的等效電路模型。(g)ON（紅線）和OFF（藍線）狀態的方位透射率。

通過微觀電磁場分析（圖3a-e）和等效電路（圖3f），研究了光譜切換的物理機制，揭示了其對等離子體誘導的異常光學傳輸和相變層的可重構元電子特性的依賴性。

圖 4.器件制造和形態表征。(a)制備過程示意圖，包括脈沖激光沉積、激光直寫光刻、磁控濺射和剝離步驟。(b)激光直寫光刻的設置。(c-d)所制備設備的光學照片(c)顯微SEM圖像(d)。(e)帶有尺寸標簽的放大SEM圖像。

圖4展示了器件的制造過程和顯微鏡圖像。圖5給出了在加熱和冷卻過程中測得的超表面器件及其平面器件的中紅外透射光譜。與超表面器件相比，平面器件表現出更高的透射率和出色的可調性。

圖 5.加熱和冷卻過程中測得的中紅外范圍內的透射光譜。(a-c)對應帶有十字槽超表面的器件，(e-f)對應無頂部超表面的器。(a-b;d-e)為樣品加熱(a，d)和冷卻(b,e)時隨溫度變化的透射光譜。(c,f)為10.64 μm處典型的溫度相關透射率的磁滯回線。

在加熱和冷卻過程中，對自適應開關在紫外到中紅外光譜范圍內的動態光譜調制進行了實驗驗證。圖6展示了，有超表面和沒有超表面的器件在紫外-可見光-近紅外(UV-Vis-NIR)范圍內的透射光譜。在加熱和冷卻過程中，有超表面器件的透射率比平面對應器件低約一個數量級，這證明了超表面器件在紫外到近紅外范圍內提供有效光學濾波的顯著優勢。超表面器件的透射率隨溫度升高而降低，顯示出其溫度依賴的光譜選擇性，而平面對照器件的透射率隨溫度變化保持相對穩定。在冷卻過程中，透射光譜通常以與加熱過程相反的方式恢復。如圖6c-d所示。

圖 6.在加熱和冷卻過程中測量的UV-Vis-NIR透射光譜。(a-b)加熱過程中的光譜。(c-d)冷卻過程中的光譜。(e)比較在特定溫度和波長下有和沒有超表面的器件的透射率直方圖。

結論與展望

本文研究了一種由十字槽鋁超表面和VO?層組成的動態光譜選擇性紅外開關，在功能和可制造性方面均取得了重大進展。本器件可實現在開啟狀態下高效傳輸中紅外光，在10.64 μm波長處透射率為0.367；而在關閉狀態下，透射率幾乎降至零。該器件在所有波長范圍內（尤其是近紅外區域）均能持續抑制光傳輸，凸顯了其光譜選擇性。通過將超表面陣列的最小特征尺寸擴展至約1 μm，將制造可行性較現有研究提升了近十倍。這一進展不僅簡化了制造流程，還推動了大規模生產，使此器件成為實際應用的理想候選。本文的研究成果推動了智能紅外窗口的發展，加深了對可重構光熱器件中光-物質相互作用的理解，為該領域的快速發展奠定了基礎。

下面是廣告