利用表面等离子体基元来增强金属微纳结构近场热辐射光谱的空间相干特性

Spectrum controling of thermal radiation of micro/nano- structured materials have been one of the research highlights in the field of physics and material over recent years, for they provide many potential applications in thermal control technology, thermophotovoltaic power generation, energy saving technology. On the basis of our former relevant studies, this project will comprehensively investgate thermal emissivity of the metallic materials, and effective manipulation the spectrum intesity and the spatial coherence of thermal radiation in the near field from one-dimential and two-dimential micro/nano structures, which are typical structures in this region, and try to elucidate the dependence of thermal emission on the multi-scaled structural parameters. By solving the Maxwell's equations which can characterize the thermal emission by a finite-difference time-domain (FDTD) algorithm, we will build a new theoretical model to numerically calculate the thermal emission of the interface microstructured materials and explore the underlying mechanisms. Then we will further adjust the geometric and physical parameters to achieve the spatial coherence in the infared range, and optimize these parameters making the coherent length increased five times longer, coherent angle reduced a half, and the whold efficiency of thermal emission enhanced at least sisty persent.Finally,a new experimental method to effectively record the thermal emission in near field distribution will be proposed, and do measure the spectral distribution emitted from the optimized microstructures. 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.

材料微纳结构热辐射光谱控制技术在热控制、热光伏发电、节能技术等领域有重要的潜在应用，使得这类材料成为近年来物理学和材料学领域的研究热点之一。本项目将在前期探索研究的基础上，系统地研究典型一维、二维金属微纳结构的热辐射光谱强度和空间相干性在近场区域的分布情况，获得材料界面多尺度和多级微纳结构参数与热辐射光谱特性之间的内在关系。通过求解表征微纳结构热辐射光谱特性的麦克斯韦方程组，利用时域有限差分方法建立理论框架，进行数值模拟并分析其中的物理机制。进一步调整微纳结构几何参数和物理参数，实现红外波段范围内光谱的空间相干性，并优化各参数使光谱的相干长度增大五倍、相干角宽度下降一半、整个光谱热辐射效率提高至少60%。提出实验上测量近场热辐射光谱特性的新方法，并实际测量优化后微纳结构热辐射光谱的近场区域分布情况。这对推动我国光电器件和航空领域内热控研究的发展和技术进步有重要意义。

材料微纳结构热辐射光谱控制技术对于我国光电器件和航空领域内热控研究的发展和技术进步有重要意义。本项目研究的结构包括三部分内容：（1）提高亚波长金属微结构内表面等离子体基元(SPP)的激发效率；（2）研究亚波长金属微结构内SPP参与的热辐射光谱特性；（3）实验上搭建了可用于微加工的高功率纳秒级光纤激光器和具有高功率和高重复频率的皮秒脉冲光纤激光器，并研究其性能。.一、构造深亚波长金属微纳结构的非对称电介质环境，通过调节微纳结构的尺度和透射方电介质性质，使得透射表面激发的SPP强度比对称环境下的强度增加25倍，其激发效率提高170%。微纳结构的这种表现应该归因于透射场在整个透射空间内的重新分布，以及等离子体的态密度随电介质环境的变化。.二、研究了利用SPP来增强亚波长金属微纳结构的近场热辐射光谱特性。理论上通过傅里叶变换实现电磁场时域到频域的变换，运用时域有限差分方法把这种理论通过代码实现，构建一维、二维金属狭缝结构，计算反射光谱和透射光谱，最后在热平衡条件下获得微结构的热辐射光谱数据。比较热辐射光谱的时间相干性，获得具有较大品质因子的辐射峰值对应波长，然后再获得该波长对应下热辐射光谱的空间相干性。.三、实验上，我们利用主振荡功率放大器来实现高功率纳秒级光纤激光器的脉冲输出，通过模式干涉、环放大和功率放大器来获得最大功率为36W的激光输出。这种高功率激光可以用于金属表面的微加工。另外，巧妙地利用4个级联的2×2光纤耦合器，它们输出的两个端口具有不同的光纤长度，把1束激光在时域上分割成8个子脉冲，经过两级光纤放大器得到重复频率为3.7GHz、最大平均功率为81W的窄带皮秒脉冲激光输出。这说明在没有环镜的情况下也可以得到高重频的脉冲激光。.通过本项目的实施，我们探索了基于SPP的金属微纳结构热辐射的物理机理，搭建了可用于微加工的高功率光纤激光器件，对进一步实施近场热辐射的理论和实验研究提供了有利的条件。