激光诱导界面微结构对热辐射特性的影响及其调控机理研究

Micro/nano-structured materials have been one of the research highlights in the field of physics and material over recent years, because they not only have extraordinary thermal emission properties and rich complex physical mechanisms, but also can provide many potential applications in the high temperature control, the space infrared detection and the solid state illumination. On the basis of our former relevant studies, this project will propose a plane to comprehensively investigate thermal emissivity of the materials, and effective manipulation of the spectrum intensity and the spatial coherence. The detailed contents are included as follows: First, we will use the pulse shaping of femtosecond lasers to produce different types of multi-scaled microstructures on the sample interfaces in a reliable way. And then we will develop a new high resolution method to diagnose the tempospatial characteristics of thermal emission from the interface microstructured samples, and try to elucidate the dependence of thermal emission on the structural parameters. After that, we will build a new theoretical model to numerically calculate the thermal emission of the interface microstructured materials and explore the underlying mechanisms. Finally, a new approach to effectively govern the thermal emission of the material will be obtained. It is believed that the carrying out of this project will push forward the research level of the thermal management of the optoelectronic device and spaceflight in our country.

材料微纳结构的奇特热传递和辐射性能和丰富复杂的物理内涵，以及其在高温热控、红外探测、固体照明等应用方面的巨大潜力，使得这类材料成为近年来物理学和材料学领域内的研究热点之一。本项目将在前期探索研究的基础上，提出利用飞秒激光在材料界面诱导微纳结构实现高效热辐射，并对其光谱强度和空间相干性进行有效调控的研究方案，具体通过飞秒激光脉冲整形技术，获得材料界面多尺度和多级微纳结构的可控构建，发展微纳尺度下热物理行为的高分辨表征方法，分析测量界面微结构热能传递在时空域内的演化特征，阐明材料热辐射特性随界面微结构参数变化的一般规律，建立理论描述框架并进行模拟计算，揭示材料界面微尺度下热波传输效应、近场等离激元产生和耦合效应与外在高效热辐射表现之间相互关联的内在机理，探索应用界面微纳结构对热能时空分布性质进行人工调控的新思路，这对推动我国在光电器件和航天领域内热控研究的发展和技术进步有重要意义。

材料微纳结构的奇特辐射性能和丰富复杂的物理内涵，以及其在高温热控、红外探测、固体照明等应用方面的巨大潜力，使得这类材料成为近年来物理学和材料学领域内的研究热点之一。本项目提出利用飞秒激光在材料界面诱导微纳结构实现高效热辐射，并对其光谱强度进行有效调控的研究方案，取得的重要研究结果如下：（1）实验上成功建立了一套以掺钛蓝宝石飞秒激光啁啾脉冲放大系统作为光源，样品可在三维空间精密移动扫描和多种测量分析手段为一体的微纳米实验加工平台；（2）提出了利用共线延迟和偏振异向飞秒激光双光束在金属块体表面快速制备二维亚微米阵列结构的新方法，首次获得了结构单元形状可调的新型多级阵列结构，并且实验测量了这些表面微纳结构在不同温度时的热辐射特性；（3）首次发现了飞秒激光在金属铬膜表面诱导产生规整性亚波长周期结构的新现象，即样品表面在空气环境下产生了周期约为600纳米、排列方向与激光偏振相互平行的光栅状浮雕结构，而在真空环境下产生了周期约为300纳米、排列方向与激光偏振相互垂直的高规整性平行刻槽结构；（4）创新研究了飞秒激光在金属表面诱导产生亚微米周期结构的动态特性，通过采用强度均等但线偏振方向不同的共线传输飞秒激光双脉冲的可调时间延迟照射，在单晶金属铜表面实现了对材料表面纳米结构方向成型的动态调控；（5）理论探索了金属纳米结构在对光波异常传输的新原理，深刻揭示了金属表面微纳米结构对入射（或者辐射）电磁波进行频域和空域内有效调控的内在物理机制。这些研究结果对于未来进一步分析微纳尺度范围内金属结构的热波辐射特性及其应用奠定了重要前期基础。