光子晶体结构对二维表面微光栅热辐射特性的调控.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 123554 学术会议论文 编号： 光子晶体结构对二维表面微光栅热辐射 特性的调控∗ 王卫杰，符策基，谭文长 （北京大学工学院力学与空天技术系，北京100871） (Tel:010Email:cjfu@pku.edu.cn) 摘 要 本文研究了一种新型的周期性结构的热辐射特性，该结构由一维光子晶体表面覆盖二维SiC微 光栅构成。利用RCWA数值算法计算该结构的热辐射特性，发现其发射率在多个频段或方向具有很高的 值。这是由于不同的电磁模态的激发以及他们之间的相互作用，例如表面等离子激元，表面磁激元和 光晶体模态表面波等。同时也研究了结构尺寸的变化对结构发射率的影响。 关键词 二维光栅；光子晶体；电磁模态；热辐射 0 前 言 微/纳尺度结构的表面热辐射特性是当前辐射换热领域的研究热点和前沿问题。不管 是对微/纳结构表面热辐射特性的调控[1-2]，或者是微/纳尺度间距物体表面的近场辐射 换热特性的研究[3-4]，都有十分重要的意义。当结构的特征尺寸与热辐射波长相当时， 将会出现一些独特的效应，如热辐射的光谱选择性、空间相干性等[1]。Kreiter 等人[5] 研究发现，热辐射波在特定情况下可呈现明显的相干性，并把它们归结为金属的电磁表 面波被经表面微光栅散射的热辐射波激发并与热辐射波相耦合。基于电磁表面波激发这 一机理，Greffet 等人[1]在SiC 表面上加工出一维微光栅结构并在实验中观察到与理论预 测很一致的相干热辐射。Lee 等人[2]在对一维光子晶体顶部具有极性材料SiC 薄膜这种 结构进行研究时发现，通过适当调节结构的几何尺寸，可在特定的频率范围内实现光子 晶体具有完全的禁带，并且SiC 的介电函数实部为负值。这样，在光子晶体和SiC 薄膜 界面处可激发起电磁表面波，导致该结构的热辐射具明显的光谱和方向选择性。Wang 等人[6]研究发现，通过表面磁激元的激发也可以对热辐射进行有效的调控。Fu 等人[7] 研究了利用硅薄膜结合一维金属银光栅结构实现热辐射在硅能隙边缘的选择性增强，从 数值模拟电磁场分布的结果可清楚地看到深光栅凹槽中的电磁波谐振模态。因此,利用深 光栅凹槽中电磁波谐振模态的激发也能实现热辐射的光谱选择性调控。 至今为止，对热辐射波相干性或热辐射调控的研究大多是基于一个特定的机理，很 少关注不同机理之间的相互作用。最近，作者提出并研究了一种新型的微光栅结合光子 晶体结构[8]，在这种结构中，不同的电磁波模态，例如表面等离子激元(SPP)、表面磁 激元(MP)和光晶体表面波(PCSW)可以被激发。他们的相互作用可以对结构的热辐射特 性产生特殊的影响。但之前的研究只考虑了一维微光栅的情况。在本文中我们进一步研 究在二维微光栅的情况下，微结构的热辐射特性。利用RCWA 算法[9]数值模拟一维光 子晶体结构对二维SiC 表面微光栅发射率的光谱和方向特性，并考虑了结构尺寸的变化 对结构发射率的影响。 基金项目：国家自然科学基金(No. 1 分 析 图1 所示即为本文所研究的结构，半无限的光子晶体结构上边具有二维的光栅结构。 光子晶体是一类具有周期性电介质的人工结构。从图中可以看到，光子晶体的一个周期 是由折射率分别为 和 的电介质a 和电介质b 构成，在光子晶体的一个周期 中， n n Λ a b 厚度为 的介质b 薄膜置于厚度分别为 和 的两层介质a 薄膜中间。这里 d a a b 1 2