电磁超介质的红外相干热辐射特性及其近场传输机理

纳米技术的发展，使得人们可以自如地构造和制备性能优异的电磁超介质（Metamaterials），通过修改材料的微结构来调控其物理性质。两物体间在非热平衡条件下的热辐射传输过程，尤其是近场条件下的热辐射传输和温度控制对光子集成回路设计具有重要意义；同时，高发射率和高相干性的红外热辐射源在热光伏器件领域有着重要的应用前景。本课题拟从三明治渔网结构电磁超介质以及含负折射超介质的光子晶体量子阱微结构的局域光子态密度的严格计算入手，考虑干涉效应和光量子隧穿效应，采用涨落耗散理论和有限元算法，研究不同结构体系的局域光子态密度与微结构体系的单元性质、构成、对称性等的对应关系和调控机理，进而探讨电磁超介质的红外相干热辐射特性及其近场热辐射传输机理，实验测量"金属-电介质-金属"三明治渔网结构电磁超介质和纳米粒子间的近场热辐射传输特性，设计并制备特定波段的高发射率的光子晶体量子阱微结构红外相干热辐射源。

电磁超材料的独特电磁性质及其对热辐射的调控能力为太阳能的合理使用和工业余热的有效回收等实际工程领域提供了发展的机遇。当两辐射体的换热间距与热辐射的中心波长可比拟或较之更小时，宏观热辐射的理论在解决这类近场热辐射问题时将不再适用。设计并优化电磁超材料，探究电磁超材料对热辐射和近场热传输的调控作用，对于微尺度下热辐射光谱的调控及其近场热传输机理的探究，以及电磁超材料的器件化和产业化具有重要的意义。本课题主要研究几种典型的电磁超材料的热辐射和近场热传输特性，探究电磁超材料的热辐射和近场热传输增强的物理机制，研究结果为热辐射和近场热传输光谱的调控以及频率选择性增强提供了理论基础。. 以原子相干和量子干涉为基础，理论研究了在相干稠密原子气体中实现双频段或多频段左手效应以及实现 Kerr 非线性效应增强特性。采用双色耦合场代替单色耦合场驱动Λ型三能级原子系统，通过调节双色耦合场的 Rabi 频率和频差，可以在多个频率区间内实现左手性。.采用密度泛函理论研究了银纳米团簇二聚体的非线性极化率增强特性，讨论了银纳米团簇二聚体的超极化率随两个纳米团簇单体之间的距离变化情况。利用多重散射理论讨论了银纳米粒子对阵列银膜结构的多模式表面等离激元耦合激发以及共振吸收特性。. 研究了双金属光栅构成微腔中的SPP布洛赫模式、FP腔模式、波导模式之间的相互作用。研究了两个非对称金纳米带阵列构成的微腔内因相位耦合作用而产生的单向光谱响应及其在单向雷达隐身、热二极管等器件设计方面的潜在应用。研究了介质圆盘和金属薄膜复合结构中SPP在介质圆盘边缘阴影区形成的纳米喷射现象。. 基于随机Maxwell方程和涨落电动力学，结合格林函数方法，考虑电磁超材料的磁响应，理论上给出半无限大电磁超材料在真空中的近场热辐射局域态密度解析表达式。研究了近红外波段的渔网状电磁超材料FMMs的近场热辐射特性以及两FMMs之间的近场热传输特性，研究表面声子极化子以及布洛赫模式调制的双曲型电磁超材料(HMM) 近场热传输特性，以及SiC纳米探针和HMM之间的频率选择性增强，通过设计基于磁偶极共振的双L型电磁超材料，实现了入射角、偏振方向以及几何尺寸无关的红外吸收，实验制备双L型电磁超材料并研究其红外吸收特性，这对于TPV系统中工作在近红外波段的热源的开发具有重要的研究意义。