Light文獻：多光譜光學調控——從可見光到微波的全域動態成像
在光學成像的神奇世界里，一項創新技術正悄然改變著我們對光的理解與應用。科研團隊成功利用二氧化釩（VO₂）構建出多光譜動態調控平臺，跨越可見光至微波波段，實現對光的精準“駕馭”，不僅突破傳統材料限制，還為光學成像領域帶來前所未有的變革，從智能熱管理到多光譜偽裝，應用前景廣闊。
這項重要發現來自哈爾濱工業大學李垚教授聯合新加坡國立大學仇成偉教授研究團隊，相關成果以“Tunable VO₂ Cavity Enables Multispectral Manipulation from Visible to Microwave Frequencies”為題，發表于Light: Science & Applications。
重要發現
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℃）這個神奇的溫度節點，它會發生從絕緣態（單斜晶，VO₂(M)）到金屬態（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，它伴隨著能帶結構的劇烈調整，進而引發光學性質的顯著改變，在從可見光到微波的寬廣波段內，其反射率、透射率和吸收率都像是被施了魔法一般發生變化。
研究團隊巧妙搭建了級聯法布里-珀羅（F-P）腔結構，這一結構猶如搭建了一座精密的光學“舞臺”，讓VO₂的光學特性得以充分展現。
（1）頂部F-P腔（TFP）：由VO₂/HfO₂/VO₂/Si層構成，主要負責可見光波段的動態顏色調控。通過精準調節各層厚度，比如VO₂厚度設為500nm、HfO₂厚度靈活可調、Si基底為150nm，利用F-P共振效應，實現反射波長的藍移，如同為可見光的色彩變化裝上了一個“微調器”。舉例來說，反射波長可從610nm藍移至575nm，對應著顏色從青色到紫色的夢幻轉變，為光學成像的色彩調控帶來了新的可能。
（2）底部F-P腔（BFP）：由VO₂/電介質層（如HfO₂）/VO₂構成，聚焦于紅外到微波波段的透射、反射、吸收三態切換。金屬態VO₂(R)在這里充當關鍵的反射層，研究人員通過精細調節電介質層厚度（如HfO₂從0到2000nm），實現吸收峰位置在3-11μm范圍的靈活調控，甚至可將調控范圍擴展至太赫茲和微波波段，極大地拓展了光學成像在長波段的應用潛力。
03多波段光學調控功能實現（1）可見光（VIS）波段：
寬帶動態變色：在TFP中，借助VO₂相變引發的有效折射率（nD）變化，實現反射光譜的寬帶調節，從而實現顏色的動態改變。當結構參數為10 nm VO₂/25 nm HfO₂/40 nm VO₂/150 nm Si時，反射谷從610nm藍移至575nm，在CIE1931色空間中對應著從青色到紫色的變化，為光學成像的色彩呈現增添了豐富的“調色板”，有望在顏色顯示、自適應偽裝等領域大顯身手。
（2）紅外（IR）至微波（MW）波段：
三態光學切換：在絕緣態VO₂(M)時，展現出高透射率（>0.7），為需要能量傳輸的場景提供了便利，如熱管理中的被動散熱。而在金屬態VO₂(R)時，在紅外波段反射率顯著提升（可調性>0.7），可用于熱反射或電磁屏蔽；同時，通過BFP的F-P共振產生強吸收峰（吸收率>0.7），峰位置由電介質層厚度調控，適用于熱管理或能量收集。
更為重要的是，首次實現同一系統在紅外到微波波段的透射、反射、吸收三種模式的動態切換，打破了傳統材料在波長依賴性上的束縛，為光學成像在不同波段的功能切換提供了全新思路。
（3）超快響應與低能耗：
VO₂的超快相變特性使得系統響應時間僅為0.9秒，相較于傳統基于電致變色材料（ECMs）的系統數十秒的響應時間，猶如火箭般迅速。而且，該系統無需持續供電，僅需觸發相變即可，相比ECMs的離子遷移機制，大大降低了能耗，為光學成像設備的高效、節能運行提供了有力支撐。
創新與亮點
傳統的電磁波動態調控材料，普遍存在波長依賴性，這就像給材料的調控能力戴上了一副“枷鎖”，將其電磁波動態調控波段局限在單、窄譜段內。而通過構建超表面、光學腔等結構來增強調控幅度的方法，反而會使調控譜段進一步窄化，嚴重阻礙了多、寬譜段電磁波動態調控技術的發展。
研究團隊創新性地改進并級聯了兩個基于熱致相變材料VO₂的可調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響應的同時，允許紅外-微波譜段電磁波透過，激活底層F-P光學腔。
同時，提出VO₂/HfO₂/VO₂/Si的四層結構，顯著放大VO₂相變時的微小光學常數變化，實現可見反射峰峰位60nm的藍移。在底層F-P腔中，利用VO₂作為底層反射層，其在不同狀態下對紅外-微波波段電磁波的不同響應特性，結合基底的選擇，實現多種動態調控方式。
這種級聯設計不僅突破了波長依賴性限制，還實現了超寬譜段電磁波的動態調控，大幅降低了超寬譜段器件的設計難度，為多光譜和自適應光學領域開辟了新的道路，在多譜段自適應偽裝、個人智能熱管理等領域展現出巨大的應用價值。
總結與展望
此次基于VO₂的多光譜動態調控技術，是光學成像領域從理論到實踐的一次重大飛躍。它不僅在實驗中實現了從可見光到微波波段的精準光調控，更在創新層面突破了傳統材料與技術的瓶頸，為后續研究提供了全新范式。
展望未來，該技術有望在多個領域引發變革。在生物醫學成像中，實現更清晰、多維度的人體組織成像，助力疾病診斷與治療；在智能建筑領域，通過對光和熱的自適應調控，打造更加節能、舒適的室內環境；在軍事國防方面，多光譜偽裝技術將使裝備和人員在復雜環境中實現更好的隱身效果。隨著研究的深入與技術的優化，相信這一成果將持續拓展光學成像的邊界，為人類生活和科學研究帶來更多驚喜與可能。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
Wei H, Gu J, Zhao T, Yan Z, Xu HX, Dou S, Qiu CW, Li Y. Tunable VO2 cavity enables multispectral manipulation from visible to microwave frequencies. Light Sci Appl. 2024 Feb 21;13(1):54.
DOI:10.1038/s41377-024-01400-w.
