波长选择性热辐射的多机理耦合调控研究

本课题拟通过理论分析、数值模拟和实验测量相结合的方法，研究波长选择性热辐射的多机理耦合调控机制，探讨实现多机理耦合调控波长选择性热辐射的新颖微结构设计方法。数值模拟多机理耦合作用下微结构热辐射的光谱和方向分布特性、偏振特性及相干特性等；设计并制备微结构试验样品，实验测量样品热辐射的多机理耦合调控波长选择性；比较理论预测和实验测量的结果，验证理论分析的可靠性，为完善分析方法，改进制备技术和应用奠定基础。波长选择性热辐射是当前热辐射研究的热点课题之一，本项目所建议的研究不但有助于深化对波长选择性热辐射及其相关的电磁场与微结构介质间的相互作用的认识，而且对新型波长选择性热辐射调控微结构设计及其在能源和相关领域中的应用有重要指导价值。

波长选择性热辐射在能源工程和航天工程等领域有着广泛的应用前景。本项目基于电磁波理论，研究了亚波长微结构与电磁波的相互作用下，在微结构表面和内部产生电磁谐振模态的机理、条件和色散关系。在此基础上，详细分析了电磁表面波、光子晶体模态和磁激元等谐振模态的谐振频率随微结构的几何参数的变化趋势，提出了可实现波长选择性热辐射的多机理耦合调控的微光栅和光子晶体复合结构。基于严格耦合波分析(RCWA)和时域差分(FDTD)方法，数值模拟了所提出的微光栅和光子晶体复合结构的定向光谱发射率随波长和方向的变化，定量分析了微结构的发射率的增强与微结构中电磁谐振模态激发之间的关系。研究成果的要点为: (1)通过引入微光栅和光子晶体复合结构，可在微光栅表面和微光栅/光子晶体界面处激发起不同频段的电磁表面波，同时在微光栅/光子晶体界面处激发的光子晶体模态以及微光栅凹槽中激发的磁激元可与电磁表面波相互作用并耦合，导致结构的发射率在一个比单谐振模态激发要宽得多的频段中得到了大大增强，其增强程度可以根据目标频段通过改变结构的几何参数进行调控并优化。(2)在光子晶体底部引入另一个不同周期的微光栅，不但使得光子晶体与上下微光栅界面处激发的光子晶体模态发生强烈耦合导致分裂成两个新模态，而且由于微光栅周期不同导致电磁表面波的激发频率数以及与其他谐振模态的耦合强度增大,通过进一步在光子晶体内部引入缺陷模态以及结构几何参数调整，可以实现结构的发射率在整个调控频段里都得到极大的增强。(3)利用一维和二维复合光栅，由于二维光栅可激发起TE和TM偏振的电磁表面波，激发的电磁表面波再经一维微光栅散射，并与TE和TM偏振的光子晶体模态和磁激元等发生耦合，实现了结构的波长选择性热辐射调控具有方向和偏振状态非敏感性的特点。通过本课题的研究，我们清楚地论述了实现波长选择性热辐射的多机理间耦合形成机制，提出了实现多机理耦合所应采取的微结构设计方法，以及分析了多机理耦合作用下热辐射的波长调控特点，这些结果不但对于深化理解热辐射与介质间的相互作用有积极意义，而且对设计新型波长选择性热辐射调控微结构具有指导价值。