微結(jié)構(gòu)熱輻射光譜控制特性及其應用研究.pdf

1、隨著人類認識水平的不斷進步，熱輻射研究由傳統(tǒng)的宏觀大尺度研究逐漸拓展至微觀小尺度問題的研究。對于一個熱輻射問題，當物體結(jié)構(gòu)的特征尺度與熱輻射波長相近時，熱輻射與結(jié)構(gòu)的耦合將會產(chǎn)生許多新現(xiàn)象，該過程便是熱輻射與微結(jié)構(gòu)耦合過程。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過控制微結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，可人為地控制耦合過程，進而控制熱輻射能量傳遞過程，此即微結(jié)構(gòu)熱輻射光譜控制問題。近年來，隨著MEMS微結(jié)構(gòu)技術的不斷進步，微結(jié)構(gòu)熱輻射光譜控制問題引起了廣泛關注，據(jù)信該技術方法在

2、與熱輻射相關的技術領域有著廣闊的應用前景。本文以微結(jié)構(gòu)熱輻射光譜控制特性為主要研究對象，同時，開展微結(jié)構(gòu)光譜控制應用方面的研究。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面： 1.微/納尺度熱輻射能量傳遞 基于電磁波理論，分析微結(jié)構(gòu)熱輻射光譜控制問題，采用麥克斯韋方程組描述熱輻射電磁波場量的相互激勵關系；討論熱輻射電磁波的傳播特性和偏振方式，基于坡印亭矢量定義熱輻射能流以及光譜特性，分析熱輻射與微結(jié)構(gòu)的相互耦合過程；將時域有限差分思想用

3、于麥克斯韋方程組離散，給出FDTD數(shù)值計算方法，同時，建立與FDTD方法相對應的入射波引入方法和邊界處理方法；討論微結(jié)構(gòu)材料光學參數(shù)，并概括歸納常用材料的光學特性。 2.一維微結(jié)構(gòu)光譜控制特性研究 研究周期性一維微結(jié)構(gòu)的反射控制特性和透射控制特性，深入分析入射角、偏振方式、形態(tài)特征參數(shù)、周期以及折射率比值對其光譜控制特性的影響；針對周期結(jié)構(gòu)光譜控制帶寬受限的問題，將一維微結(jié)構(gòu)延伸至非周期結(jié)構(gòu)，研究非周期結(jié)構(gòu)的反射控制特性

4、、透射控制特性以及反射透射兼容控制特性，研究入射角及偏振方式對其光譜控制特性的影響；分別討論周期結(jié)構(gòu)和非周期結(jié)構(gòu)的設計方法。 將周期性一維微結(jié)構(gòu)的光譜控制特性用于Morpho蝴蝶的結(jié)構(gòu)顯色研究，建立表皮微結(jié)構(gòu)物理模型，計算表皮微結(jié)構(gòu)的光譜特性；研究分析表皮微結(jié)構(gòu)參數(shù)、入射角以及表皮材料光學參數(shù)對其光譜特性的影響；最后，根據(jù)計算分析結(jié)果解釋結(jié)構(gòu)顯色機理。 3.一維微結(jié)構(gòu)濾光器光譜控制研究 針對GaSb（銻化鎵）電池

5、的熱光伏系統(tǒng)，將一維微結(jié)構(gòu)光譜控制特性用于濾光器的光譜控制研究，分析濾光器與輻射器的輻射能量光譜分布及電池轉(zhuǎn)化能力的匹配特性；根據(jù)匹配特性優(yōu)化設計濾光器結(jié)構(gòu)，計算其光譜控制特性，研究入射角及偏振方式對濾光器光譜控制特性的影響；采用PVD真空鍍膜技術加工制作濾光器，測試其光譜控制特性，并根據(jù)測試結(jié)果評估濾光器的光譜控制效率；將非周期性一維微結(jié)構(gòu)用于濾光器的光譜控制研究，優(yōu)化設計非周期結(jié)構(gòu)濾光器，計算其光譜控制特性，研究入射角及偏振方式對濾

6、光器光譜控制特性的影響，根據(jù)計算所得光譜特性評估其光譜控制效率。 4.熱致變色材料光譜控制研究 針對（La1-xSrx）MnO3型熱致變色材料在太陽輻射波段吸收較大的問題，將一維微結(jié)構(gòu)的光譜控制特性用于實現(xiàn)熱致變色材料的光譜控制。根據(jù)熱致變色材料的應用環(huán)境溫度及自身的光譜特性，優(yōu)化設計一維微結(jié)構(gòu)，計算優(yōu)化結(jié)構(gòu)的光譜特性；根據(jù)計算得到的光譜特性，計算一維微結(jié)構(gòu)對熱致變色材料的光譜控制效果。 5.二維粗糙表面光譜特性

7、計算研究 研究二維隨機粗糙形態(tài)特征，建立隨機粗糙表面模型；根據(jù)粗糙表面形態(tài)特征及表面模型，給出粗糙表面生成方法；將FDTD方法用于二維粗糙表面光譜特性的數(shù)值計算，將計算結(jié)果與現(xiàn)有的實驗結(jié)果、GOA（幾何光學近似方法）結(jié)果、EMT（電磁波解析法）結(jié)果進行比較，驗證FDTD計算方法的有效性；根據(jù)FDTD計算結(jié)果研究粗糙表面的光譜特性，分析粗糙表面光譜特性的影響因素。 研究二維光柵結(jié)構(gòu)減反表面的結(jié)構(gòu)特征，給出設計方法；針對0.