波長選擇性熱輻射的多機理耦合調控研究

《波長選擇性熱輻射的多機理耦合調控研究》是依託北京大學，由符策基擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：波長選擇性熱輻射的多機理耦合調控研究
• 項目負責人：符策基
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

本課題擬通過理論分析、數值模擬和實驗測量相結合的方法，研究波長選擇性熱輻射的多機理耦合調控機制，探討實現多機理耦合調控波長選擇性熱輻射的新穎微結構設計方法。數值模擬多機理耦合作用下微結構熱輻射的光譜和方向分布特性、偏振特性及相干特性等；設計並製備微結構試驗樣品，實驗測量樣品熱輻射的多機理耦合調控波長選擇性；比較理論預測和實驗測量的結果，驗證理論分析的可靠性，為完善分析方法，改進制備技術和套用奠定基礎。波長選擇性熱輻射是當前熱輻射研究的熱點課題之一，本項目所建議的研究不但有助於深化對波長選擇性熱輻射及其相關的電磁場與微結構介質間的相互作用的認識，而且對新型波長選擇性熱輻射調控微結構設計及其在能源和相關領域中的套用有重要指導價值。

結題摘要

波長選擇性熱輻射在能源工程和航天工程等領域有著廣泛的套用前景。本項目基於電磁波理論，研究了亞波長微結構與電磁波的相互作用下，在微結構表面和內部產生電磁諧振模態的機理、條件和色散關係。在此基礎上，詳細分析了電磁表面波、光子晶體模態和磁激元等諧振模態的諧振頻率隨微結構的幾何參數的變化趨勢，提出了可實現波長選擇性熱輻射的多機理耦合調控的微光柵和光子晶體複合結構。基於嚴格耦合波分析(RCWA)和時域差分(FDTD)方法，數值模擬了所提出的微光柵和光子晶體複合結構的定向光譜發射率隨波長和方向的變化，定量分析了微結構的發射率的增強與微結構中電磁諧振模態激發之間的關係。研究成果的要點為: (1)通過引入微光柵和光子晶體複合結構，可在微光柵表面和微光柵/光子晶體界面處激發起不同頻段的電磁表面波，同時在微光柵/光子晶體界面處激發的光子晶體模態以及微光柵凹槽中激發的磁激元可與電磁表面波相互作用並耦合，導致結構的發射率在一個比單諧振模態激發要寬得多的頻段中得到了大大增強，其增強程度可以根據目標頻段通過改變結構的幾何參數進行調控並最佳化。(2)在光子晶體底部引入另一個不同周期的微光柵，不但使得光子晶體與上下微光柵界面處激發的光子晶體模態發生強烈耦合導致分裂成兩個新模態，而且由於微光柵周期不同導致電磁表面波的激發頻率數以及與其他諧振模態的耦合強度增大,通過進一步在光子晶體內部引入缺陷模態以及結構幾何參數調整，可以實現結構的發射率在整個調控頻段里都得到極大的增強。(3)利用一維和二維複合光柵，由於二維光柵可激發起TE和TM偏振的電磁表面波，激發的電磁表面波再經一維微光柵散射，並與TE和TM偏振的光子晶體模態和磁激元等發生耦合，實現了結構的波長選擇性熱輻射調控具有方向和偏振狀態非敏感性的特點。通過本課題的研究，我們清楚地論述了實現波長選擇性熱輻射的多機理間耦合形成機制，提出了實現多機理耦合所應採取的微結構設計方法，以及分析了多機理耦合作用下熱輻射的波長調控特點，這些結果不但對於深化理解熱輻射與介質間的相互作用有積極意義，而且對設計新型波長選擇性熱輻射調控微結構具有指導價值。