研究人员在激光驱动光帆技术领域取得新突破，通过设计新型光子晶体结构，有望克服传统光帆吸收热能、重量过大的局限。这项成果发表在《纳米光子学杂志》上，为未来高速行星际探索提供了可能的路径。

传统光帆通常采用金属涂层聚合物薄膜，依靠辐射压力产生推力。当由强大激光驱动时，光帆可在不携带推进剂的情况下持续加速，从而实现更快的太阳系旅行。然而，传统光帆在反射光线的同时会吸收部分能量转化为热能，提高反射率往往需要增加材料，这会增加重量并降低推进效率。

由塔斯基吉大学助理教授迪米塔尔·迪米特罗夫领导的研究团队开发了一种新型光子晶体光帆，由三种介电组件构成纳米级图案：锗柱、空气孔和聚合物基质。该结构形成以推进波长为中心的窄光子带隙，在特定光谱窗口内实现高反射率，同时在设计带外保持基本透明。

"通过设计与推进激光频率一致的窄光子带隙，所提出的帆可以对环境太阳辐射保持高度透明，同时在特定的工作频段内保持高反射率，"迪米特罗夫解释道。研究人员利用平面波展开和时域有限差分法模拟设计，最终结构在1.2微米波长处实现约90%反射率。

研究团队采用电子束光刻和真空沉积技术制造了概念验证薄膜，通过顺序纳米光刻和材料填充工艺，构建了包含约100纳米宽锗柱和约400纳米直径空气孔的纳米级结构，嵌入200纳米厚聚合物层中。迪米特罗夫表示："这项工作的关键贡献在于证明了构建具有可控纳米级特征的多介质光子晶体结构的可行性。"

为评估推进性能，研究人员模拟了一面由100千瓦激光照射的1平方米光帆。模拟显示，预测反射率可产生持续推力，使光帆在一小时内加速到数百米每秒。尽管这一水平尚不足以支持星际任务，但足以支持用于行星际探测的轻型探测器。

迪米特罗夫指出："尽管目前存在一些局限性，但我们的研究可以为多介质光子晶体光帆的设计和制造奠定基础。它可能为实现经实验验证、可扩展的轻量化激光推进装置提供途径，从而使未来的行星际探索能够以最小的机载质量完成。"

更多信息：作者：Dimitar Dimitrov等人，标题：《光子晶体光帆的设计与制造》，发表于：《纳米光子学杂志》(2025)。