基于红外辐射降低太空LED结温的宽带超材料吸收体研究

The problems about heat dissipation put a great limitation on the development and application of the light emitting diode (LED). The LED is a great technology which is very suitable for the space illumination field. The passive radiative cooling method is the only way for the cooling system of LED used in outer space. For the requirements of the outer space LED cooling system, we propose the new idea about using the infrared broadband near-perfect metamaterial absorber (MA) with high reflection at visible-near infrared area as the thermal radiant cooling projects of the LED, and reveal the law and physics mechanism of the radiation properties tuned by the coupling plasmoic resonance. 1. We design and fabricate the structure of the MA through simulations and experiments, achieve the frequency domain mixed coupling localized plasmon resonance and symmetrical structure to realize the infrared broadband near unity absorption with incident angle and polarization insensitive. The research lays foundation of theory and experiment for the coupling between the plasmon resonances and the application of the thermal radiation field. 2. We use the junction temperature measurement system based on peak-shift theory to demonstrate the validity of the passive radiation refrigeration of MA used in vacuum LED.

LED在航天照明领域具有独特优势，外太空的真空环境切断了LED热对流散热通道，热辐射成为其降温的唯一通道。本项目针对航天LED热辐射散热的需求，提出利用具有红外宽波段近100%吸收率、可见到近红外波段高反射性质的轻薄超材料吸收体作为LED热辐射散热涂层的新想法，通过研究邻近金属层中等离激元耦合效应，揭示等离激元耦合效应对热辐射性质的调控规律以及物理机制。1、通过理论模拟和实验设计超材料吸收体的结构参数，实现多重等离激元共振频域混合达到红外波段宽带近完美吸收效果，实现等离激元的局域性和结构对称性达到大入射角度和全偏振近完美吸收的效果，为进一步研究等离激元之间耦合效应和其在热辐射领域的应用提供理论和实验依据；2、利用光谱移动法精确测量LED结温，验证超材料吸收体在真空环境中对LED降温的有效性。

外太空的真空环境切断了热对流散热通道，热辐射成为其降温的唯一通道。本课题针对此问题，通过研究等离激元耦合效应，揭示等离激元耦合效应对热辐射性质的调控规律以及物理机制，设计红外宽波段近100%吸收率、可见到近红外波段高反射性质的轻薄超材料吸收体，作为LED热辐射散热涂层。（1）多带近完美超材料体吸收体研究，研究多种等离激元耦合共振模式频域混合特性及其对吸收器完美吸收特性的影响。（2）高性能超材料的防氧化设计研究，在银光栅表面引入一层薄的Al2O3层来避免银的氧化问题，促进吸收器的应用。（3）基于近完美超材料宽带吸收体研究，利用梯形多层光栅和SiO2混合结构形成长波和中波双色大气窗口宽带超材料吸收。宽带吸收对结构参数不敏感，允许至少±50 nm的误差，同时大入射角时吸收性能基本不变。长波红外的吸收源于SiO2声子极化激元共振，短波红外的宽带吸收源于慢波效应。（4） 利用锯齿状多层光栅的简单结构形成长波和中波双色大气窗口宽带超材料吸收，宽带吸收对结构参数和入射角不敏感。双带宽吸收源于慢波效应和渐变折射率效应。（5）设计一种锯齿形多层光栅宽频带超材料吸收器，通过在表面设计一层薄的合理结构的金属银光栅，获得4μm前可见到近红外波段高反射、5μm后红外波段入射角度和偏振角度不敏感、宽带可调、完美吸收的超材料吸收体。通过研究多重等离激元耦合效应频域混合对吸收峰位置以及带宽的调控规律、等离激元耦合强局域性质对大入射角的吸收性质影响、结构对称性和各向同性对入射偏振敏感性的影响，获得最佳结构。本课题预期成果可在双色红外成像、探测和被动辐射冷却中得到应用。