電磁超材料紅外熱輻射和近場熱傳輸特性.pdf

1、電磁超材料的獨特電磁性質(zhì)及其對熱輻射的調(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際工程領域提供了發(fā)展的機遇。當兩輻射體的換熱間距與熱輻射的中心波長可比擬或較之更小時，宏觀熱輻射的理論在解決這類近場熱輻射問題時將不再適用。設計并優(yōu)化電磁超材料，探究電磁超材料對熱輻射和近場熱傳輸?shù)恼{(diào)控作用，對于微尺度下熱輻射光譜的調(diào)控及其近場熱傳輸機理的探究，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、的熱輻射和近場熱傳輸特性，探究電磁超材料的熱輻射和近場熱傳輸增強的物理機制，研究結(jié)果為熱輻射和近場熱傳輸光譜的調(diào)控以及頻率選擇性增強提供了理論基礎，具體可分為如下內(nèi)容：
　　基于隨機的Maxwell方程和漲落電動力學，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，在理論上給出半無限大電磁超材料平面在真空中的近場熱輻射局域態(tài)密度解析表達式。由于基于介質(zhì)粒子構(gòu)成的全介質(zhì)超材料相對于基于金屬材料構(gòu)成的電磁超材料具有更好的各向

3、同性特征，并能夠同時實現(xiàn)介電函數(shù)和磁導率為負，我們選取方形介質(zhì)粒子陣列構(gòu)成的全介質(zhì)超材料作為研究對象，研究全介質(zhì)超材料的近場熱輻射態(tài)密度和近場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熱輻射的增強，并進一步分析能量傳輸系數(shù)的模式分布以及輻射場的空間相干特性，這對于通過非極性電介質(zhì)材料實現(xiàn)近場熱輻射增強具有重要意義。
　　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現(xiàn)介電函數(shù)和磁導率為負，且具有多階磁共振特性，研究工作在近紅外波段的FMM的近場熱輻射特性以及兩FMMs之間的近場熱傳輸特性，對于高溫下熱光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的提高以及近場熱輻射增強頻帶的拓展具有重要的研究意義。通過設計具有多階磁共振特性的FMM，研究多階磁共振模式對多頻帶增強的近場熱輻射和傳輸貢獻。研究發(fā)現(xiàn)，相對于非磁性材料以及常規(guī)的電磁超材料，F(xiàn)MM開辟了新的近場熱輻射和傳輸增強頻帶

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系以及FMM的各向異性特征，進一步分析在不同的入射角度下表面等離激元各個模式對近場熱輻射能量密度、兩FMMs之間傳輸系數(shù)和空間相干性的貢獻。
　　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近場熱傳輸特性，分析膜層厚度和換熱間距等因素對傳熱系數(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近場傳熱系數(shù)的貢獻，并通過膜層厚度的優(yōu)化實現(xiàn)兩HMM以及SiC納米探針和HMM之間的頻率選擇性增強，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)相對于體塊SiC材料情況30％的增強。進一步考慮摻雜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近場熱傳輸特性的影響，這對于近場熱掃描成像質(zhì)量的提高具有重要的應用價值。
　　紅外波段電磁超材料完美吸收器的設計，對于頻率選擇性吸收器件和熱輻射器件的應用具有重要意義。通過設計基于磁偶極共振的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制，并通過等效LC電路模型對共振吸收峰的位置進行理論解釋，進一步分析雙L型結(jié)構(gòu)的