大多数航天任务仍依赖化学火箭推进，但火箭需要携带推进剂，增加航天器质量并限制速度与航程。为替代传统推进方式，研究人员长期探索光帆方案：光帆利用光在表面反射产生的辐射压力获得推力；在强激光照射下，光帆可在不携带推进剂的情况下持续加速，从而支持更快的太阳系内飞行。

传统光帆多采用金属涂层聚合物薄膜。此类薄膜虽具备较强反射能力，但仍会吸收部分入射能量并转化为热量。若要进一步提升反射率，往往需要增加材料用量，导致质量上升、推进效率下降，这一权衡成为实用光帆系统发展的限制因素之一。

三介电光子晶体光帆结构

《纳米光子学杂志》（Journal of Nanophotonics）刊发的研究显示，研究人员提出并开发了一种光子晶体光帆结构，旨在缓解上述限制。该光帆采用纳米尺度图案，由三种介电成分构成：锗纳米柱、空气孔以及聚合物基体。

研究人员表示，与常见的双材料光子结构不同，该设计将高折射率锗纳米柱、低折射率空气空洞与聚合物基体集成在同一结构中，形成面向推进需求优化的、具有波长选择性的光子带隙。该结构在推进波长附近建立狭窄带隙，使光帆在该光谱窗口内保持高反射率，同时在带外尽可能保持透明。

光子晶体是一类具有重复纳米图案的复合材料，可通过不同折射率材料的周期性排列调控光的传播，并形成光子带隙——特定波长范围内的光难以穿透结构而被反射。研究团队将带隙调谐至推进激光波长。塔斯基吉大学助理教授迪米塔尔·迪米特罗夫（Dimitar Dimitrov）称，通过将狭窄光子带隙与推进激光频率对齐，光帆可在特定工作波段维持高反射率，同时对环境太阳辐射保持大部分透明。

设计与概念验证制造

在设计阶段，研究人员使用平面波展开法以及平面时域有限差分（FDTD）模拟对结构进行优化。结果显示，最终设计在1.2微米波长处可实现约90%的反射率。随后，团队采用电子束光刻与真空沉积制备了概念验证薄膜。

据介绍，薄膜通过顺序纳米光刻与材料填充工艺完成，包括聚合物模板图案化、选择性锗沉积、剥离处理以及二次电子束结构化等步骤。该多步骤流程实现了亚200纳米尺度三介电光子晶体结构的精确制造。

制造样品包含约100纳米宽的锗柱、约400纳米直径的空气孔，并嵌入厚度约200纳米的聚合物层中。电子显微镜结果验证了纳米图案的准确性。迪米特罗夫表示，这项工作的关键在于展示了构建具有可控纳米特征的多介电光子晶体结构的可行性，并指出相关结构可被设计为兼具低质量、强波长选择性以及可扩展制造潜力。

推进模拟结果与后续研究方向

为评估推进表现，研究人员对一项情景进行模拟：面积为1平方米的光帆在100千瓦激光照射下工作。模拟显示，在理想条件下，所预测的反射率可产生持续推力，使光帆在一小时内加速至数百米每秒。研究人员指出，该水平尚不足以支撑星际任务，但可用于轻量级星际探测器的星际探索。

研究团队同时表示，在光子晶体光帆进入实际任务部署前仍需进一步研究，但该工作展示了从理论设计到制造验证的可行路径。迪米特罗夫称，尽管目前仍存在限制，这项研究可作为多介电光子晶体光帆设计与制造的基础，并可能为激光驱动推进的实验验证以及可扩展、轻量化设备提供途径。