利用光子晶体抑制大气窗口发射辐射的优化设计及实验研究.PDF

中国科学: 技术科学 2010 年 第40 卷 第5 期: 503 ~ 507 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 利用光子晶体抑制大气窗口发射辐射的 优化设计及实验研究 李进, 叶宏* 中国科学技术大学热科学与能源工程系, 合肥 230026 * E-mail: hye@ 收稿日期: 2009-07-30; 接受日期: 2009-10-28 国家重点基础研究发展计划(“973 计划”)(批准号: 2009CB939900)资助项目 摘要 利用传输矩阵法讨论了光子晶体对大气窗口(8~14 μm) 内发射辐射的抑制作用. 关键词 根据材料的光学特性, 选择了Ge 与ZnS 作为光子晶体的组成材料. 对光子晶体的结构进 光子晶体 行了优化, 优化值为Ge 与ZnS 的厚度分别为0.63 和1.11 μm, 光学厚度比为1:1, 周期数 大气窗口发射辐射 抑制 为8. 利用蒸发镀膜制备了光子晶体, 并对制得的光子晶体的光学性质进行了测定, 验证 光子晶体对大气窗口发射辐射的抑制作用. 光子晶体的概念最先由 Yablonovitch[1]提出, 其 晶体对大气窗口8~14 μm 波段内发射辐射的抑制作 定义为因介电常数空间周期性分布而具有光子带隙 用, 该方法具有矩阵小、阵元少的优点, 计算量较低, 的特殊材料. 光子晶体的特性在于存在光子禁带, 频 而且针对介电常数随波长变化的系统尤为有效. 率处于禁带中的电磁波不能在其中传播. 随着纳米 本文选择了 Ge 与 ZnS 作为光子晶体组成材料, 尺度加工技术的发展, 研究人员发现利用光子晶体可 并分别选择SiC 和Al 为基底. Ge 与ZnS 均属于红外 以改变材料固有的宏观辐射特性[2], 即材料的光谱发 波段的透明材料, 其中Ge 的折射率较高, ZnS 的较低. 射率在某些特定光谱区域内会出现峰值或被抑制. 为了较好地抑制 8~14 μm 内的发射辐射, 根据光子 通常可以采用平面波法、传输矩阵法、有限时域 晶体的禁带特性, 对光子晶体的结构进行了优化设 差分法等来对光子晶体进行研究[3]. 平面波法用得较 计,并根据优化设计结果, 采用蒸发镀膜方法制备了 早而且较多, 其思想是根据布洛赫理论, 将光子晶体 光子晶体, 测试了其光学特性, 较为系统地验证了在 的介电常数与电磁场用平面波展开, 求解本征方程, 大气窗口 8~14 μm 波段内光子晶体对表面发射辐射 即得到光子能带, 但是当介电常数随频率变化时, 则 的抑制作用. 无法求解[4]. 有限时域差分法由 Yee 于 1966 年首次 提出, 对电磁场的E 和H 分量采取空间和时间上的交 1 理论分析 替抽样的离散方式, 得到含时间变量的差分方程组, 1.1 数学模型 沿时间轴逐步推进可求解空间电磁场, 优点是计算 [5] [6] 图1 为一维光子晶体结构示意图, 介质1 和2 的 过程较为直观 . 本文采用传输矩阵法 来讨论光子 引用格式: Li J, Ye H. Optimization of the inhibition of atmospheric window emission using photonic crystals. Sci China