電磁超材料紅外熱輻射和近場(chǎng)熱傳輸特性.pdf

1、電磁超材料的獨(dú)特電磁性質(zhì)及其對(duì)熱輻射的調(diào)控能力為太陽能的合理使用和工業(yè)余熱的有效回收等實(shí)際工程領(lǐng)域提供了發(fā)展的機(jī)遇。當(dāng)兩輻射體的換熱間距與熱輻射的中心波長(zhǎng)可比擬或較之更小時(shí)，宏觀熱輻射的理論在解決這類近場(chǎng)熱輻射問題時(shí)將不再適用。設(shè)計(jì)并優(yōu)化電磁超材料，探究電磁超材料對(duì)熱輻射和近場(chǎng)熱傳輸?shù)恼{(diào)控作用，對(duì)于微尺度下熱輻射光譜的調(diào)控及其近場(chǎng)熱傳輸機(jī)理的探究，以及電磁超材料的器件化和產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。
　　本文主要研究幾種典型的電磁超材料

2、的熱輻射和近場(chǎng)熱傳輸特性，探究電磁超材料的熱輻射和近場(chǎng)熱傳輸增強(qiáng)的物理機(jī)制，研究結(jié)果為熱輻射和近場(chǎng)熱傳輸光譜的調(diào)控以及頻率選擇性增強(qiáng)提供了理論基礎(chǔ)，具體可分為如下內(nèi)容：
　　基于隨機(jī)的Maxwell方程和漲落電動(dòng)力學(xué)，結(jié)合漲落耗散理論和格林函數(shù)方法，考慮電磁超材料中的磁響應(yīng)，在理論上給出半無限大電磁超材料平面在真空中的近場(chǎng)熱輻射局域態(tài)密度解析表達(dá)式。由于基于介質(zhì)粒子構(gòu)成的全介質(zhì)超材料相對(duì)于基于金屬材料構(gòu)成的電磁超材料具有更好的各向

3、同性特征，并能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)介電函數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)，我們選取方形介質(zhì)粒子陣列構(gòu)成的全介質(zhì)超材料作為研究對(duì)象，研究全介質(zhì)超材料的近場(chǎng)熱輻射態(tài)密度和近場(chǎng)熱傳輸通量隨換熱間距的變化，結(jié)果表明全介質(zhì)超材料中的電偶極共振和磁偶極共振引起了近場(chǎng)熱輻射的增強(qiáng)，并進(jìn)一步分析能量傳輸系數(shù)的模式分布以及輻射場(chǎng)的空間相干特性，這對(duì)于通過非極性電介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)熱輻射增強(qiáng)具有重要意義。
　　金屬-電介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)的漁網(wǎng)狀電磁超材料(Fishnet Met

4、amaterial,FMM)可以在近紅外波段實(shí)現(xiàn)介電函數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)，且具有多階磁共振特性，研究工作在近紅外波段的FMM的近場(chǎng)熱輻射特性以及兩FMMs之間的近場(chǎng)熱傳輸特性，對(duì)于高溫下熱光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的提高以及近場(chǎng)熱輻射增強(qiáng)頻帶的拓展具有重要的研究意義。通過設(shè)計(jì)具有多階磁共振特性的FMM，研究多階磁共振模式對(duì)多頻帶增強(qiáng)的近場(chǎng)熱輻射和傳輸貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于非磁性材料以及常規(guī)的電磁超材料，F(xiàn)MM開辟了新的近場(chǎng)熱輻射和傳輸增強(qiáng)頻帶

5、?？紤]FMM結(jié)構(gòu)所支持的內(nèi)表面等離激元和外表面等離激元的色散關(guān)系以及FMM的各向異性特征，進(jìn)一步分析在不同的入射角度下表面等離激元各個(gè)模式對(duì)近場(chǎng)熱輻射能量密度、兩FMMs之間傳輸系數(shù)和空間相干性的貢獻(xiàn)。
　　金屬(類金屬)-介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雙曲型電磁超材料(Hyperbolic Metamaterial,HMM)具有雙曲型的空間波矢量分布，能夠支持具有較大波矢量的輻射模式，這必將對(duì)HMMs熱輻射的局域態(tài)密度產(chǎn)生重要的影響?；?/p>

6、SiC-SiO2多層膜結(jié)構(gòu)，研究表面聲子極化子以及布洛赫模式調(diào)制的HMM近場(chǎng)熱傳輸特性，分析膜層厚度和換熱間距等因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響，分析HMM支持的布洛赫模式的色散曲線，分析耦合的表面聲子極化子和布洛赫模式對(duì)近場(chǎng)傳熱系數(shù)的貢獻(xiàn)，并通過膜層厚度的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)兩HMM以及SiC納米探針和HMM之間的頻率選擇性增強(qiáng)，研究結(jié)果表明在SiC材料共振頻率位置，HMM的熱傳輸系數(shù)相對(duì)于體塊SiC材料情況30％的增強(qiáng)。進(jìn)一步考慮摻雜Si-Ge多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)

7、成的HMM，研究類金屬層的本征損耗對(duì)近場(chǎng)熱傳輸特性的影響，這對(duì)于近場(chǎng)熱掃描成像質(zhì)量的提高具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　紅外波段電磁超材料完美吸收器的設(shè)計(jì)，對(duì)于頻率選擇性吸收器件和熱輻射器件的應(yīng)用具有重要意義。通過設(shè)計(jì)基于磁偶極共振的L型電磁超材料，分析入射光的入射角、方位角、偏振方向以及幾何尺寸對(duì)其紅外吸收特性的影響，研究結(jié)果確定了磁偶極共振的雙頻帶吸收機(jī)制，并通過等效LC電路模型對(duì)共振吸收峰的位置進(jìn)行理論解釋，進(jìn)一步分析雙L型結(jié)構(gòu)的