光谱选择性超构表面的设计及应用研究

Efficient thermal utilization of solar radiation has great significance and application prospects in the fields of seawater desalination, thermal photovoltaic, energy saving and emission reduction of buildings, surface deicing and so on. Due to its ultra-thin thickness, ultra-high absorption and good thermal stability, metasurface absorber based on sub-wavelength structure shows great potential in the efficient thermal utilization of solar energy. How to achieve high efficiency solar photothermal conversion while maintaining good transparency is one of the key issues that need to be solved urgently in the field of building energy saving and surface deicing. In order to solve this problem, this project proposes to design metal-dielectric metasurface by using loss characteristics of different metal materials, impedance matching and local resonance. This project mainly focuses on the phenomenon of selective solar absorption enhancement and physical mechanism in artificial metasurface to obtain high performance spectrally selective metasurface. This project intends to systematically study and analyze the loss characteristics of different metal materials, and then establish theoretical models based on impedance matching and local resonance principle to design and optimize spectrally selective metasurface; Developing simple and inexpensive micro-nano processing technology to prepare high-quality and large-area metasurface; The optical path are designed to show the application of spectral selective metasurface in building energy saving and surface deicing.

太阳辐射的高效热利用对于海水淡化、热光伏、建筑物节能减排、表面除冰等领域具有重要的意义和应用前景。基于亚波长结构的吸收超构表面由于具有超薄的厚度、超高的吸收和良好的热稳定性，在太阳能高效热利用方面显示出巨大的发展潜力。如何在实现高效太阳能光热转换的同时保持良好的透明特性是建筑物节能减排和表面除冰领域中迫切需要解决的关键问题之一。为了解决该问题，本项目提出利用不同金属材料及其组合的波长依赖损耗特性、阻抗匹配、局域共振设计金属-介质复合超构表面，重点研究人工超构表面中太阳辐射选择性吸收增强现象及物理机制，获得高性能光谱选择性超构表面。本项目拟系统研究并分析不同金属材料及其组合的损耗特性，然后结合阻抗匹配和局域共振原理建立理论模型，设计并优化选择性超构表面；发展简单低廉的微纳加工工艺，制备大面积超构表面；搭建实验光路并展示光谱选择性超构表面在建筑物节能减排和表面除冰等方面的应用。

本课题执行期间，紧密围绕实现高性能的光谱选择性超构表面展开研究。本课题的主要研究工作如下：（1）光谱选择性超表面吸收器。研究了不同金属材料及其组合的波长依赖损耗特性以及阻抗匹配特性，并在此基础上设计了一种光谱选择性吸收器。实验验证了其在400~750nm可见光波段的平均透射率为39%。同时，其在400nm到750nm的可见波长范围测量到的平均吸收率高达55%，该数值远大于先前报道的透明太阳吸收器。搭建了实验光路并设计应用场景，展示了该金属-介质复合超材料在表面除冰等方面的应用。（2）基于薄膜结构的高效太阳能吸收器。理论研究了一种基于双FP腔的超薄薄膜结构太阳能吸收器，并实验证明了其在350nm-1200nm的带宽范围内的平均吸收效率高于97%。吸收效率大于90%的工作带宽可达1000nm。对于入射角高达65°时，其在350nm-1000nm波段的平均吸收率仍保持在90%以上。（3）正反不对称吸收超构表面。发展了一种基于自组装孔掩膜胶体光刻技术的可大面积制备的微纳加工工艺，在此基础上实验证明了该超表面正向和背向吸收差值可达20-25%。（4）自参考等离子体传感器。提出并深入研究了一种平滑银膜和周期矩形腔的周期性等离子体吸收器结构。随着金属表面上方环境折射率的变化，SPP共振的波长灵敏度约为1220nm RIU−1.由于超窄线宽和高灵敏度，所提出的自参考传感器的FOM高达1356 RIU−1，远高于（31 RIU−1）之前报告的具有自参考功能的等离子体传感器。（5）提出一种基于表面等离激元结构的结构色扫描方案。通过控制气压实现了方向可控的快速等离激元彩色扫描。与最近展示的利用激光诱导气泡实现等离激元彩色扫描相比，这种基于气压驱动的等离激元彩色扫描的时间小了 2 个数量级。本项目成果对推动光谱选择性超构表面在太阳能热利用、高性能传感以及结构色彩色扫描等领域的发展及应用具有重要意义。