周期结构材料红外选择性发射的SP耦合机理及热控制特性研究

Selective emitting materials are desired for infrared detection, camouflage, and energy harvesting applications, due to their tunable emissivity spectra. Incorporated with periodic structure, the selective emitting composites are able to achieve exotically high emissivity, frequency selectivity, thermal stability, and other properties difficult to attain with nature materials. However, the limited operation bandwidth and the lack of thermal control mechanism are two main problems for periodic design, especially concern with the relationship between surface plasmon modes and selective emitting/temperature control. Based on our previous works, we focus on the study of wideband design and thermal radiation control of infrared selective emission based on the coupling of surface plasmon modes. According to the properties of plasmon excitation, electromagnetic resonance and infrared radiation in the material and periodic structure as effective electromagnetic characteristics, energy band structure will be build for the periodic structure, to explore the mechanism of "surface plasmon resonance absorption in composite periodic structure". Composite structure design based on the concepts of "slow wave" and near-field coupling for electromagnetic wave will be investigated systematically to solve the problem of "multiresonance coupling for wideband design" by optimizing the spatial/frequency domain distribution of thermal radiation wave and exciting SP coupling. At last, thermal analysis will be conducted to introduce a new thermal control technique based on selective emission. The proposed studies will promote the development of selective emitting material and relevant theories.

选择性发射材料是通过调控材料本征发射率（吸收率）的频谱特性，实现器件和系统的红外探测、伪装、热控等功能。以周期结构为载体的材料与结构在高发射率、选择性、温度特性等诸多方面较自然材料更容易调控，但是面临工作窄带和热控制机理的问题，特别是表面等离子（SP）模式与选择性发射特性、温度调控的关系尚无定论。本项目在前期工作的基础上，提出了基于表面等离子模式耦合的红外选择性发射宽带设计方法及热辐射控制特性研究：以复合材料等效电磁特性为媒质，基于表面等离子激发、电磁谐振和红外辐射特性，建立起周期结构SP耦合的能带模型，探索"复合周期结构表面等离子谐振吸波"的机理；基于电磁波"慢波"和近场耦合的思想，以复合结构设计控制SP的空间域、频域分布，实现耦合效应，解决"宽带设计多谐振耦合"的难题；进行复合结构材料的热力学分析，提出新的选择性发射热控制技术。本项目对探索选择性发射材料及相关理论基础具有重要意义。

红外选择性发射是一种重要的能量/信息控制机制，深刻影响着红外探测/反探测、电子系统、新型能源等重要领域。对红外发射率频率选择特性的控制，重点在于控制的准确性和灵活性，难点在于选择特性的宽带和高效问题。本项目采用周期结构材料SP（surface plasmon）耦合多谐振设计来实现红外发射率的频率选择特性，理论和实验相结合：研究红外周期结构的SP耦合机理和调控机制，以突破频率选择性“宽带、高效率”难点；探索红外选择性发射材料的热控制特性，提出该类材料在红外探测/反探测以及辐射降温等领域的应用方案。取得主要研究成果如下：.（1）采用严格耦合波法对周期结构的Flouquet模式进行分解，率先提出了基于Flouquet模式场分布特性和等效边界条件的多模式耦合分析法，揭示了红外周期结构谐振的表面等离子激元模式、磁谐振模式以及驻波模式相互作用机制，为多模式SP耦合设计调控红外选择性发射特性奠定了理论基础。.（2）基于多模式谐振机制，首次提出了双介质MIM周期结构，通过双介质层获得新的模式调节自由度，通过控制表面等离子激元模式、磁谐振模式以及驻波模式的色散关系，研制出在整个5~8μm准连续（发射率半峰宽4.81，或矩形度0.872）的宽带、高效红外选择性发射材料。.（3）结合氧化钒的金属-绝缘体相变特性和多谐振模式匹配设计，研制出红外发射率频率选择性随温度变化的智能辐射材料：0.8发射率带宽达2.9μm、变化率37%的宽带辐射开关材料；选择性辐射窗口在8~14μm大气窗口和5~8μm非大气窗口转换的超宽带变频辐射材料。.（4）建立了红外选择性发射材料的热辐射计算理论，通过对热控制特性的研究验证了该类材料能够利用热辐射窗口实现辐射降温功能，并且通过变温特性实现红外伪装，具备潜在的应用价值。.（5）基于各向异性的多谐振模式耦合，提出了在微波、红外均可适用的宽带、多波段极化（偏振）转换结构，具备选择性偏振转换的功能。