微结构热辐射光谱控制特性及其应用研究

论文摘要

随着人类认识水平的不断进步,热辐射研究由传统的宏观大尺度研究逐渐拓展至微观小尺度问题的研究。对于一个热辐射问题,当物体结构的特征尺度与热辐射波长相近时,热辐射与结构的耦合将会产生许多新现象,该过程便是热辐射与微结构耦合过程。研究结果发现,通过控制微结构形态特征,可人为地控制耦合过程,进而控制热辐射能量传递过程,此即微结构热辐射光谱控制问题。近年来,随着MEMS微结构技术的不断进步,微结构热辐射光谱控制问题引起了广泛关注,据信该技术方法在与热辐射相关的技术领域有着广阔的应用前景。本文以微结构热辐射光谱控制特性为主要研究对象,同时,开展微结构光谱控制应用方面的研究。具体研究内容包括以下几个方面:1.微/纳尺度热辐射能量传递基于电磁波理论,分析微结构热辐射光谱控制问题,采用麦克斯韦方程组描述热辐射电磁波场量的相互激励关系;讨论热辐射电磁波的传播特性和偏振方式,基于坡印亭矢量定义热辐射能流以及光谱特性,分析热辐射与微结构的相互耦合过程;将时域有限差分思想用于麦克斯韦方程组离散,给出FDTD数值计算方法,同时,建立与FDTD方法相对应的入射波引入方法和边界处理方法;讨论微结构材料光学参数,并概括归纳常用材料的光学特性。2.一维微结构光谱控制特性研究研究周期性一维微结构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、形态特征参数、周期以及折射率比值对其光谱控制特性的影响;针对周期结构光谱控制带宽受限的问题,将一维微结构延伸至非周期结构,研究非周期结构的反射控制特性、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对其光谱控制特性的影响;分别讨论周期结构和非周期结构的设计方法。将周期性一维微结构的光谱控制特性用于Morpho蝴蝶的结构显色研究,建立表皮微结构物理模型,计算表皮微结构的光谱特性;研究分析表皮微结构参数、入射角以及表皮材料光学参数对其光谱特性的影响;最后,根据计算分析结果解释结构显色机理。3.一维微结构滤光器光谱控制研究针对GaSb（锑化镓）电池的热光伏系统,将一维微结构光谱控制特性用于滤光器的光谱控制研究,分析滤光器与辐射器的辐射能量光谱分布及电池转化能力的匹配特性;根据匹配特性优化设计滤光器结构,计算其光谱控制特性,研究入射角及偏振方式对滤光器光谱控制特性的影响;采用PVD真空镀膜技术加工制作滤光器,测试其光谱控制特性,并根据测试结果评估滤光器的光谱控制效率;将非周期性一维微结构用于滤光器的光谱控制研究,优化设计非周期结构滤光器,计算其光谱控制特性,研究入射角及偏振方式对滤光器光谱控制特性的影响,根据计算所得光谱特性评估其光谱控制效率。4.热致变色材料光谱控制研究针对(La1-xSrx)MnO3型热致变色材料在太阳辐射波段吸收较大的问题,将一维微结构的光谱控制特性用于实现热致变色材料的光谱控制。根据热致变色材料的应用环境温度及自身的光谱特性,优化设计一维微结构,计算优化结构的光谱特性;根据计算得到的光谱特性,计算一维微结构对热致变色材料的光谱控制效果。5.二维粗糙表面光谱特性计算研究研究二维随机粗糙形态特征,建立随机粗糙表面模型;根据粗糙表面形态特征及表面模型,给出粗糙表面生成方法;将FDTD方法用于二维粗糙表面光谱特性的数值计算,将计算结果与现有的实验结果、GOA（几何光学近似方法）结果、EMT（电磁波解析法）结果进行比较,验证FDTD计算方法的有效性;根据FDTD计算结果研究粗糙表面的光谱特性,分析粗糙表面光谱特性的影响因素。研究二维光栅结构减反表面的结构特征,给出设计方法;针对0.2～0.3μm波段,选用Si作为基体材料,设计Si基二维光栅结构减反表面,采用FDTD方法计算减反表面的光谱特性,研究减反表面的特征单元高度、宽度、入射角以及偏振方式对其光谱特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究动态
• 1.3 本文研究内容
• 2 微/纳尺度热辐射能量传递理论方法
• 2.1 麦克斯韦方程
• 2.2 材料光学特性
• 2.3 偏振方式
• 2.4 热辐射能量传递表述
• 2.5 相互作用原理
• 2.6 数值计算方法
• 2.6.1 FDTD离散方程
• 2.6.2 入射波引入
• 2.6.3 边界处理
• 2.7 本章小结
• 3 一维微结构光谱控制特性研究
• 3.1 周期结构光谱控制特性研究
• 3.1.1 禁带特性
• 3.1.2 光谱控制特性
• 3.2 周期结构光谱控制特性的影响因素研究
• 3.2.1 入射角度的影响
• 3.2.2 形态特征的影响
• 3.2.3 周期的影响
• 3.2.4 折射率的影响
• 3.3 非周期结构光谱控制特性研究
• 3.3.1 透射控制特性
• 3.3.2 反射控制特性
• 3.3.3 反射和透射兼容控制特性
• 3.3.4 光谱控制特性影响因素研究
• 3.4 一维微结构的设计方法
• 3.4.1 周期结构设计方法
• 3.4.2 非周期结构设计方法
• 3.5 蝴蝶结构显色特性研究
• 3.5.1 结构模型
• 3.5.2 光谱特性计算
• 3.5.3 结构显色原理
• 3.6 本章小结
• 4 滤光器光谱控制研究
• 4.1 热光伏系统
• 4.1.1 GaSb电池
• 4.1.2 辐射器
• 4.2 滤光器光谱特性研究
• 4.2.1 介质材料特性
• 4.2.2 滤光器设计与计算
• 4.2.3 滤光器的影响因素研究
• 4.3 滤光器的加工制作
• 4.3.1 PVD镀膜技术及工艺简介
• 4.3.2 加工方案
• 4.3.3 加工与测试
• 4.4 滤光器性能评估
• 4.5 非周期一维微结构滤光器研究
• 4.5.1 设计与计算
• 4.5.2 光谱控制性能计算
• 4.6 本章小结
• 5 热致变色材料光谱控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 光谱控制分析
• 5.3 光谱特性定义
• 5.4 光谱控制计算与分析
• 5.4.1 介质材料
• 5.4.2 一维微结构设计与计算
• 5.4.3 吸收控制
• 5.4.4 发射控制
• 5.5 进一步研究
• 5.6 本章小结
• 6 二维粗糙表面光谱特性计算研究
• 6.1 二维粗糙表面形态特征
• 6.2 二维粗糙表面生成方法
• 6.3 双向反射率
• 6.4 FDTD数值计算
• 6.5 光谱特性研究
• 6.6 影响因素分析
• 6.7 减反表面光谱特性研究
• 6.7.1 减反表面模型及设计
• 6.7.2 光谱特性和计算分析
• 6.8 本章小结
• 7 结束语
• 7.1 主要结论
• 7.2 工作展望
• 7.3 创新点
• 致谢
• 攻读博士期间发表的相关论文
• 参考文献