光子晶體應(yīng)用于紅外輻射光譜控制的探索研究.pdf

1、紅外探測(cè)技術(shù)已在軍事中廣泛應(yīng)用，如何有效避免暴露重要目標(biāo)紅外特征，減少損失，已成為一個(gè)亟需解決的問題。因此，紅外隱真材料的研發(fā)正引起科學(xué)家極大的重視。光子晶體（Photonic Crystal）因光譜特性會(huì)隨結(jié)構(gòu)改變而相應(yīng)發(fā)生變化，在信息處理、光學(xué)器件、熱光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而利用光子晶體的特性實(shí)現(xiàn)大氣窗口紅外輻射的抑制則是一個(gè)新穎的研究領(lǐng)域。
　　 在利用光子晶體材料抑制大氣窗口波段（3～5μm與8～14μm）發(fā)射

2、輻射的初步研究中，建立了一維光子晶體模型，利用傳輸矩陣法分析了多種基底材料和光子晶體材料組合及其自發(fā)輻射對(duì)抑制效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)光子晶體的高低折射率介質(zhì)分別為Si與KCL，在3～5μm與8～14μm內(nèi)，基底分別為處于100℃的AL、SiC及假想表面（發(fā)射率為1的表面）時(shí)，表面的發(fā)射輻射均得到較好的抑制。對(duì)于相同基底，如果光子晶體組成材料的高低折射率比值越大（如選擇Ge與KCL），抑制效果越好。
　　 其次，在不考慮3～5μ

3、m波段發(fā)射輻射的情況下，采用傳輸矩陣法分析了光子晶體對(duì)8～14μm波段發(fā)射輻射的抑制作用。依據(jù)材料的光學(xué)特性，選擇了Ge與ZnS作為光子晶體的組成材料。對(duì)光子晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，Ge與ZnS的優(yōu)化厚度分別為0.63mm和1.11mm，光學(xué)厚度比為1:1，周期數(shù)為8。利用真空蒸發(fā)鍍膜法制備了光子晶體，并測(cè)定了制得光子晶體的光學(xué)性質(zhì)，從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度驗(yàn)證了光子晶體對(duì)大氣窗口發(fā)射輻射的抑制作用。
　　 然后，針對(duì)光子晶體材料對(duì)大

4、氣窗口發(fā)射輻射的抑制作用進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，從側(cè)面論證模型的正確性，并探索在不同溫度情況下的實(shí)際抑制效果。采用真空熱蒸鍍的方法，在不同材料上制備了多周期的Ge/ZnS光子晶體。通過對(duì)底部加熱，并采用紅外熱像儀分別拍攝有無光子晶體覆蓋的材料的熱圖，對(duì)比熱圖來充分展示出該種周期結(jié)構(gòu)材料具有抑制物體表面發(fā)射輻射的特性。結(jié)果表明，只要能保證基底表面的平整度，就可以通過熱圖充分展示出光子晶體的禁帶特性，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度為100℃時(shí)，五組實(shí)驗(yàn)中紅外熱像

5、儀的顯示溫度最低可達(dá)26.5℃。
　　 接下來，采用有限時(shí)域差分法對(duì)Ge/NaF光子晶體的光譜特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由該結(jié)構(gòu)的反射/透射譜發(fā)現(xiàn)，周期數(shù)為7的光子晶體在8～14mm內(nèi)的反射率可達(dá)0.99，能較好地抑制大氣窗口發(fā)射輻射。為實(shí)現(xiàn)大氣窗口特定波長(zhǎng)（如10.6mm）處的光譜透射峰，探索了引入第三種介質(zhì)或改變?cè)心雍穸鹊姆绞絹硇纬山Y(jié)構(gòu)缺陷，從而實(shí)現(xiàn)低反射的方法。發(fā)現(xiàn)引入第三種紅外透明介質(zhì)形成缺陷的方式無法在特定波長(zhǎng)處形成透射峰，

6、而改變?cè)心雍穸刃纬扇毕莸姆绞娇稍谔囟úㄩL(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)透射峰，如10.6mm處透射率高達(dá)0.938。
　　 最后，建立了采用一維MgF2/ZnS型光子晶體濾波器的硅電池TPV系統(tǒng)的熱物理模型。針對(duì)高溫輻射器的輻射能量分布與Si電池的響應(yīng)帶隙失配的情況，設(shè)計(jì)了一種基本結(jié)構(gòu)為|L/2HL/2|5的一維光子晶體濾波器，并通過主禁帶中心波長(zhǎng)平移的方式得到了改進(jìn)型濾波器。當(dāng)黑體輻射器的溫度為1800K時(shí)，采用主禁帶中心波長(zhǎng)為1.69μm的濾波

7、器的TPV系統(tǒng)的電池輸出功率密度與水冷功率密度分別為1.57和36.30Wcm-2，相對(duì)采用主禁帶中心波長(zhǎng)為1.39μm的濾波器的TPV系統(tǒng)，分別提高了8.3％和降低了10.4％。并針對(duì)水冷功率密度較大的問題，在主禁帶中心波長(zhǎng)為1.69μm的濾波器基礎(chǔ)上，提出了依次將多套不同主禁帶中心波長(zhǎng)的濾波器組合的方案（結(jié)構(gòu)為|L/2HL/2|s|L/2HL/2|s1…|L/2HL/2|sn），使其主禁帶首尾相接形成較寬的反射帶，在適當(dāng)犧牲電池輸出