热辐射是一种自然现象，产生了如热感测与成像、热光伏和辐射冷却等重要应用。通过对其方向和光谱特性进行调控，可以降低热损失或吸收，从而提高热器件的效率和性能，大大改善许多热管理应用。飞秒激光表面加工技术（FLSP）制备的功能化铝表面可以作为近乎完美的全向吸收或发射基底，其吸收特性从中红外延伸到可见波长，但这也限制了它们作为日间被动辐射冷却设备的应用。为了解决这些问题，美国宾夕法尼亚州立大学Christos Argyropoulos及其合作者一方面利用布拉格可见光反射镜来精确控制FLSP表面的热发射光谱，以实现高性能的日间辐射冷却；另一方面，该团队还提出基于电介质多层结构的其他设计，以进一步调控FLSP表面的光谱和热发射角，从而实现窄带和宽带定向热辐射，这将对各种热管理，传感和能量收集应用产生重要影响。相关工作以“Tailoring the Spectral and Directional Emissivity of Functionalized Laser Processed Surfaces”发表。
FLSP技术制备的功能化铝表面可以实现在可见光和红外波长的超宽带全向吸收。在大气窗口具有接近理想的发射率，可以很好地满足辐射冷却的应用；然而，它在可见光光谱中的高吸收率会使得这种FLSP结构无法进行日间被动辐射冷却。
图1：FLSP表面的宽带吸收
为了防止FLSP结构吸收过多的太阳辐射，该团队在其顶部设计了一种新的专用布拉格反射滤波器。它是由高折射率和低折射率材料交替层制成的，可以反射太阳辐射，但允许中红外热辐射通过。
图2：FLSP表面与布拉格反射滤波器的复合装置
顶部的分布式布拉格反射滤波器在0.3 μm - 2.5 μm范围内的法向入射角和斜入射角的平均反射率达到90.1%。通过同时实现高太阳反射和中红外热发射，布拉格反射滤波器能满足FLSP表面进行日间被动辐射冷却的光谱调控需求。
图3：布拉格反射滤波器
布拉格反射滤波器在中红外波段的吸收相对较高，而对太阳辐射的吸收比FLSP结构低得多。因此，其与FLSP结构组成的复合结构具有理想的日间被动辐射冷却性能，在λ = 11 μm和温度为300 K时的冷却功率可达到97.79 W/m2，平衡温度可降低至293 K。
图4：复合日间辐射冷却装置的冷却效果
Si与CaF2的多层结构不仅可以限制热辐射的光谱带，还可以限制热辐射的方向，与FLSP表面组成的复合结构的吸收率和其本身的透射率十分相似。复合结构在l = 7.83 μm处的高发射率被限制在15°的天顶角内。
图5：窄带定向热发射
该团队还设计了由三种不同周期的多层叠加形成的滤波器，将其放置在FLSP表面上，并在表面填充阻抗匹配的材料，可以实现布鲁斯特角处的宽带定向热发射。在6 μm - 12 μm的整个中红外波段内，复合结构的热辐射被限制在60°到80°的角度范围内。
图6：宽带定向热发射
小结：该团队设计了一种由FLSP热发射器和布拉格反射滤波器组成的高性能日间被动辐射冷却装置，有望在飞机或航天器的超环境温度冷却和热管理方面有重要应用。除此之外，FLSP金属表面热辐射的窄带和宽带定向控制可以用作新的探测器和传感器，其对热辐射的光谱和方向特性的调控能力将会影响各种热管理，传感和能量收集应用。
