Light文献：多光谱光学调控——从可见光到微波的全域动态成像
2025-07-07 来源:本站 点击次数:44在光学成像的神奇世界里，一项创新技术正悄然改变着我们对光的理解与应用。科研团队成功利用二氧化钒（VO₂）构建出多光谱动态调控平台，跨越可见光至微波波段，实现对光的精准“驾驭”，不仅突破传统材料限制，还为光学成像领域带来前所未有的变革，从智能热管理到多光谱伪装，应用前景广阔。
这项重要发现来自哈尔滨工业大学李垚教授联合新加坡国立大学仇成伟教授研究团队，相关成果以“Tunable VO₂ Cavity Enables Multispectral Manipulation from Visible to Microwave Frequencies”为题，发表于Light: Science & Applications。
重要发现
01VO₂的独特相变特性
二氧化钒（VO₂）堪称材料界的“神奇变色龙”，在340K（约67℃）这个神奇的温度节点，它会发生从绝缘态（单斜晶，VO₂(M)）到金属态（金红石晶，VO₂(R)）的超快相变。这种相变可不是简单的物理变化，它伴随着能带结构的剧烈调整，进而引发光学性质的显著改变，在从可见光到微波的宽广波段内，其反射率、透射率和吸收率都像是被施了魔法一般发生变化。
研究团队巧妙搭建了级联法布里-珀罗（F-P）腔结构，这一结构犹如搭建了一座精密的光学“舞台”，让VO₂的光学特性得以充分展现。
（1）顶部F-P腔（TFP）：由VO₂/HfO₂/VO₂/Si层构成，主要负责可见光波段的动态颜色调控。通过精准调节各层厚度，比如VO₂厚度设为500nm、HfO₂厚度灵活可调、Si基底为150nm，利用F-P共振效应，实现反射波长的蓝移，如同为可见光的色彩变化装上了一个“微调器”。举例来说，反射波长可从610nm蓝移至575nm，对应着颜色从青色到紫色的梦幻转变，为光学成像的色彩调控带来了新的可能。
（2）底部F-P腔（BFP）：由VO₂/电介质层（如HfO₂）/VO₂构成，聚焦于红外到微波波段的透射、反射、吸收三态切换。金属态VO₂(R)在这里充当关键的反射层，研究人员通过精细调节电介质层厚度（如HfO₂从0到2000nm），实现吸收峰位置在3-11μm范围的灵活调控，甚至可将调控范围扩展至太赫兹和微波波段，极大地拓展了光学成像在长波段的应用潜力。
03多波段光学调控功能实现（1）可见光（VIS）波段：
宽带动态变色：在TFP中，借助VO₂相变引发的有效折射率（nD）变化，实现反射光谱的宽带调节，从而实现颜色的动态改变。当结构参数为10 nm VO₂/25 nm HfO₂/40 nm VO₂/150 nm Si时，反射谷从610nm蓝移至575nm，在CIE1931色空间中对应着从青色到紫色的变化，为光学成像的色彩呈现增添了丰富的“调色板”，有望在颜色显示、自适应伪装等领域大显身手。
（2）红外（IR）至微波（MW）波段：
三态光学切换：在绝缘态VO₂(M)时，展现出高透射率（>0.7），为需要能量传输的场景提供了便利，如热管理中的被动散热。而在金属态VO₂(R)时，在红外波段反射率显著提升（可调性>0.7），可用于热反射或电磁屏蔽；同时，通过BFP的F-P共振产生强吸收峰（吸收率>0.7），峰位置由电介质层厚度调控，适用于热管理或能量收集。
更为重要的是，首次实现同一系统在红外到微波波段的透射、反射、吸收三种模式的动态切换，打破了传统材料在波长依赖性上的束缚，为光学成像在不同波段的功能切换提供了全新思路。
（3）超快响应与低能耗：
VO₂的超快相变特性使得系统响应时间仅为0.9秒，相较于传统基于电致变色材料（ECMs）的系统数十秒的响应时间，犹如火箭般迅速。而且，该系统无需持续供电，仅需触发相变即可，相比ECMs的离子迁移机制，大大降低了能耗，为光学成像设备的高效、节能运行提供了有力支撑。
创新与亮点
传统的电磁波动态调控材料，普遍存在波长依赖性，这就像给材料的调控能力戴上了一副“枷锁”，将其电磁波动态调控波段局限在单、窄谱段内。而通过构建超表面、光学腔等结构来增强调控幅度的方法，反而会使调控谱段进一步窄化，严重阻碍了多、宽谱段电磁波动态调控技术的发展。
研究团队创新性地改进并级联了两个基于热致相变材料VO₂的可调Fabry-Pérot腔（F-P腔），成功打破了这一困局。在顶层F-P腔中，使用Si层作为基底，巧妙解决了金属层对电磁波的反射问题，在放大可见波段动态响应的同时，允许红外-微波谱段电磁波透过，激活底层F-P光学腔。
同时，提出VO₂/HfO₂/VO₂/Si的四层结构，显著放大VO₂相变时的微小光学常数变化，实现可见反射峰峰位60nm的蓝移。在底层F-P腔中，利用VO₂作为底层反射层，其在不同状态下对红外-微波波段电磁波的不同响应特性，结合基底的选择，实现多种动态调控方式。
这种级联设计不仅突破了波长依赖性限制，还实现了超宽谱段电磁波的动态调控，大幅降低了超宽谱段器件的设计难度，为多光谱和自适应光学领域开辟了新的道路，在多谱段自适应伪装、个人智能热管理等领域展现出巨大的应用价值。
总结与展望
此次基于VO₂的多光谱动态调控技术，是光学成像领域从理论到实践的一次重大飞跃。它不仅在实验中实现了从可见光到微波波段的精准光调控，更在创新层面突破了传统材料与技术的瓶颈，为后续研究提供了全新范式。
展望未来，该技术有望在多个领域引发变革。在生物医学成像中，实现更清晰、多维度的人体组织成像，助力疾病诊断与治疗；在智能建筑领域，通过对光和热的自适应调控，打造更加节能、舒适的室内环境；在军事国防方面，多光谱伪装技术将使装备和人员在复杂环境中实现更好的隐身效果。随着研究的深入与技术的优化，相信这一成果将持续拓展光学成像的边界，为人类生活和科学研究带来更多惊喜与可能。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
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.