[發明專利]一種基于全光法的近場熱輻射測量系統及測量方法

在審

• 申請號: 202310461931.0
• 申請日: 2023-04-26
• 公開（公告）號: CN116539162A
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 馬云貴;張森;黨雍迪;李欣苒;李雨萱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J5/02
• 分類號: G01J5/02;G01J5/061;G01J5/48;G01J5/90
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于全光法的近場熱輻射測量系統及測量方法，包括：輻射體，接收體，熱沉襯底，間隔物，真空腔室，激光器和熱成像模塊。輻射體與接收體為待測樣品，根據需求確定其尺寸與材質，并通過納米結構構成間隔物來實現測量間距需求，通過激光加熱與紅外熱成像技術的結合，激光光源對輻射體進行加熱，其次利用熱成像模塊實現被測物體的瞬態、高分辨率的溫度監測，通過分析輻射體的熱量耗散過程，從而獲得實時的近場熱輻射數值。本發明無任何電極、引線等電學元件，避免了焦耳熱效應以及附加熱傳導的熱量耗散，簡化了近場熱輻射的測量方法，解決了傳統方式測量時間過長，測量結果重復性不高，測量樣品不宜過小等現實問題。

技術領域

本發明屬于近場光學及熱輻射傳熱領域，尤其涉及一種基于全光法的近場熱輻射測量系統及測量方法。

背景技術

自然界中一切高于絕對零度的物體都不可避免的向四周產生自發輻射電磁波，其遠場輻射強度的上限一般由黑體的斯特潘-玻爾茲曼定律所決定，稱為黑體輻射極限。近場熱輻射(Near-field?radiative?heat?transfer，簡稱NFRHT)是一種輻射體與接收體間距小于其輻射特征波長時(室溫下，這一波長約為10微米)出現的輻射現象，其輻射強度能夠突破黑體輻射極限數個數量級，使得以傳輸波為主導的經典輻射理論不再適用。在近場熱輻射中，倏逝波在極小間距下的隧穿效應逐漸占據熱輻射主導作用，在近場下光子的局域態密度很高，使得大量熱能通過輻射熱光子從輻射體轉移到接收體。

因此和遠場輻射相比，近場輻射在微納系統熱管理系統，熱光伏系統和熱學邏輯元件等方面具有重要潛力和意義。對于近場熱輻射的實驗測量更是不可或缺的。然而傳統的近場熱輻射測量方法一般基于電學測量，由于電學元件不可避免的會帶來電流的焦耳熱效應以及附加熱傳導的熱量耗散，其實驗的可靠度，重復性都與前言物理學探索需求有著一定的脫節，并且成本高昂，關鍵元件仍依賴進口，一個低成本瞬態且精確的近場熱輻射測量方法是十分需要的。

發明內容

通過激光加熱與紅外熱成像技術的結合，使用激光光源對輻射體進行加熱，可以實現對輻射體初始溫度的控制，其次利用紅外熱像儀以及紅外透鏡，可以實現被測物體的瞬態、高分辨率的溫度監測，從而獲得實時的溫度變化曲線。通過對溫度下降曲線的擬合分析，能夠較高精度的獲得平板型物體間的近場熱輻射熱流值，同時還具有魯棒性高、結構簡單、低成本、高精度等優勢，并且對樣品材質、結構和輻射間距不敏感。因此，基于全光法的近場熱輻射測量系統設計為目前面臨的問題提供了十分有效的解決方法。

為解決上述技術問題，本發明首先提供了一種基于全光法的近場熱輻射測量系統，包括熱沉襯底、由待測材料加工而成的接收體、由待測材料加工而成的輻射體、間隔物、激光器、熱成像模塊、真空腔室；

所述真空腔室用于提供真空環境，其頂部開設有視窗，其內部放置有所述的輻射體、接收體、熱沉襯底以及間隔物，所述熱沉襯底通過導熱膠黏附在真空腔室底部的上表面；所述接收體的下表面黏附在熱沉襯底的上表面，熱沉襯底和真空腔室均為導熱材料，使接收體與真空腔室外部環境溫度共溫；所述間隔物為柱狀結構，間隔物設置在接收體的上表面；間隔物上放置所述輻射體；輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體；所述激光器和熱成像模塊設置在真空腔室外；激光器用于對輻射體進行加熱；熱成像模塊用于記錄輻射體的溫度變化。

作為本發明的優選方案，輻射體與接收體的表面進行納米級拋光，以保證輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體。

作為本發明的優選方案，所述真空腔室提供真空度小于10^-4Pa的真空環境。

作為本發明的優選方案，所述熱成像模塊包括熱成像儀與紅外微距透鏡。

本發明還提供了一種基于上述測量系統的近場熱輻射測量方法，包括以下步驟:

1)利用待測材料加工得到接收體和輻射體，對輻射體與接收體的表面進行納米級拋光，以保證輻射體與接收體表面平行，輻射體的尺寸小于接收體；