非互易性微结构的热辐射特性及其在热辐射的波长选择性调控中的应用研究

Wavelength-selective manipulation of thermal radiation has important applications in photovoltaic devices. Currently, research in this field mainly focuses on reciprocal materials and structures. We propose in this work to study the thermal radiative properties of nonreciprocal materials and structures. We will establish the theoretical model for analysis of the thermal radiative properties of nonreciprocal materials and the corresponding numerical simulation algorithm. Then, we will investigate the effect of nonreciprocity on the wavelength-selective distribution of thermal radiation and the related key factors that result in the phenomena. Guidelines for design of microstructures that can achieve wavelength-selective manipulation of thermal radiation will be provided. Samples of the microstructures will be designed and fabricated, and their thermal radiative properties will be measured in experiments to testify the characteristics of wavelength-selective thermal radiation. The research in this proposal not only helps to deepen the understanding of the interaction of radiation wave and materials, but also can provide important theoretical guidelines in the design of novel structures for wavelength-selective manipulation of thermal radiation.

波长选择性热辐射调控技术在光伏转换系统中有重要的应用。当前，有关的研究仅限于互易性材料和结构。本申请项目拟基于非互易性材料和结构，建立其热辐射理论分析模型和相关数值模拟算法，并通过理论分析和数值模拟，研究其热辐射特性，探讨非互易性影响热辐射的波长选择性分布的机理和关键因素。提出相关热辐射波长选择性调控的微结构设计方法，设计并加工微结构样品，通过实验验证其热辐射的波长选择特性。本申请项目的研究内容, 不但有助于深化认识辐射波与材料的相互作用，而且可为新型热辐射波长选择性调控结构设计提供重要的理论指导。

非互易微结构在能量转换、辐射制冷、热辐射/光二极管、红外隐身、手性成像和生物监测等领域具有重要的潜在应用。本项目从非互易微结构的热辐射特性入手，从理论、算法、结构和特性调控等方面进行了深入研究，得出了以下有创新性的研究结果：.第一、基于单光轴晶体材料中偏振波的相互转换机理并结合光栅结构、双曲材料或光子晶体结构，我们提出了几种波段可控、高对比度的非互易单向透射紧凑结构，通过数值模拟给出了量化单向透射特性、参数依赖性和调控优化方法。.第二、基于波的特征模态分析，给出了单光轴晶体中波的特征模态波矢正反不一的条件，由此，可利用非相反特征值的特点实现单向透射和单向隐身。在此基础上，我们提出了可以巧妙地实现超宽波段吸收比接近于1的多层结构设计方法。.第三、基于天然手性材料不能产生强手性响应，而当前大多数人工手性超材料结构复杂的现实，开展了紧凑手性非互易透射和吸收结构研究，我们提出了利用偏振转化效应结合选择透射和吸收效应来实现强圆二色性的扭转两层手性结构及优化方法。.第四、将相关研究拓展到近场辐射换热，详细研究了单光轴、双光轴双曲色散材料平行表面间的近场辐射热流密度与光轴方向的关系，分析了双曲模态、表面等离和声子激元的激发和匹配关系对辐射热流密度的影响，给出了可以有效调制表面间的辐射热流密度的方法。.第五、研究中我们发展了一系列高效算法，引进坐标旋转变换，避免投影运算，并利用增强透射矩阵消除数值溢出问题，改进了可方便应用于各向异性材料多层或周期微结构热辐射特性分析的传递矩阵法和严格耦合波分析法。.项目至今在传热学和光学领域核心期刊共发表SCI论文13篇，会议论文3篇，在学术会议上作报告10次，已培养博士2名。本项目的研究结果可为能量转换系统、新型紧凑式热辐射/光二极管、日间辐射制冷，超宽波段和超宽入射角范围吸波体和隐身，手性红外成像、化学和生物传感，以及近场辐射换热结构设计和分析提供重要的理论指导。