[發明專利]實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體

無效

• 申請號: 200610096521.7
• 申請日: 2006-09-29
• 公開（公告）號: CN101153940A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發明（設計）人: 宣益民;韓玉閣;李強;劉廣平
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;C30B29/60;C30B29/02;G02F1/00;G05D25/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心
• 代理人: 朱顯國

一技術領域

本發明屬于熱輻射光譜控制領域，可用于與熱輻射光譜控制相關的熱電轉換技術、光源技術、目標隱身等技術，特別是一種可實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體。

二背景技術

利用周期性微結構實現熱輻射光譜控制是近年來發展起來的一種新型的熱輻射光譜控制方法。與傳統方法相比，這種新方法具有控制特性好、控制方法靈活、應用范圍廣等優點，可廣泛應用于熱電轉換技術、節能技術、光源技術、激光技術以及目標隱身等技術。

周期性微結構是這種新方法實現熱輻射光譜控制的關鍵所在，熱輻射能量通過周期性微結構時，微結構的周期特性將會調制和重新分配熱輻射能量，從而使得熱輻射能量在不同的波段形成一定的反射、透射和吸收特性，因此微結構的結構周期特性決定了其熱輻射光譜控制的最終效果。

美國的A.Narayanaswamy和G.Chen等人設計了一維金屬/介電材料光子晶體結構(A.Narayanaswamy，G.Chen.Thermal?emission?control?with?one-dimensionalmetallodielectric?photonic?crystals.PHYSICAL?REVIEW?B，2004，70：125101-125104)。這種周期性微結構由金屬薄膜層和介電材料薄膜層沿空間一個方向周期交替排列而成，具有一定的熱輻射光譜控制效果。日本的Hitoshi?Sai研究小組研究了金屬鎢二維表面光柵結構的熱輻射控制特性(H.Sai，H.Yugami.Thermophotovoltaic?generation?withselective?radiators?based?on?tungsten?surface?gratings.APPLIED?PHYSICS?LETTERS，2004，85(16)：3399-3401)，他們在金屬鎢板的表面加工出沿兩個方向周期排列的方形凹坑，通過凹坑的尺寸控制熱輻射控制波段。以上兩種典型周期性微結構均可用于熱輻射的光譜控制，但其共同缺點在于只能實現一個方向的熱輻射光譜控制，且可調節性非常有限。

美國Sandia國家實驗室的S.Lin、J.G.Fleming和J.Moreno研究小組近年來一直致力于三維積木狀鎢光子晶體熱輻射光譜控制的研究(S.Y.Lin，J.Moreno，J.G.Fleming.Three-dimensional?photonic-crystal?emitter?for?thermal?photovoltaic?powergeneration.APPLIED?PHYSICS?LETTERS，2003，83(2)：380-382)。他們采用的金屬鎢棒類似于搭積木的方式在空間排列成周期結構，這種周期性微結構是一種嚴格意義上的三維周期結構，因此能夠實現空間所有方向的熱輻射光譜控制，但需要改進的是光譜控制的可調節性。

如前所述，微結構的周期性是周期性微結構獲得較好的熱輻射光譜控制的關鍵所在，這主要表現在周期的方向性和周期特征兩方面：一、微結構周期的方向性決定了熱輻射光譜控制的方向，即微結構在空間的某個方向上存在一定特征的周期性，則將在該方向上能夠實現一定波段的熱輻射光譜控制。二、周期特征決定了熱輻射光譜控制的特征，不同的周期特征將對進入微結構的熱輻射能量形成不同的調制和分配的特征，進而最終的熱輻射能量的反射、透射和吸收的特征也將不同。

三發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠實現熱輻射光譜任意方向控制、可方便調節的三維層疊光子晶體結構。

實現本發明目的的技術解決方案：一種實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體，包括由四根或四根以上金屬棒橫向平行等間距排列組成橫向層和由四根或四根以上金屬棒縱向平行等間距排列組成縱向層，該橫向層和縱向層相互交替疊加成層數為4的整數倍的三維立體結構，所述的橫向層和縱向層之間設置介質層。

本發明實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體的橫向層和縱向層的金屬棒的長度L≥10λ_c、寬度W＝0.3～0.5λ_c、高度H＝0.3～0.5λ_c以及各根金屬棒的間距D＝0.8λ_c，λ_c為目標控制波段的下限波長。

本發明實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體的橫向層和縱向層的金屬棒為鎢、金或銅金屬材料。

本發明實現熱輻射光譜控制的三維層疊光子晶體的介質層厚度為h＝0.03～0.4λ_c，λ_c為目標控制波段的下限波長。