一维周期性微结构表面辐射特性的数值模拟

【摘要】：微纳米尺度的辐射和传统的宏观大尺度的热辐射问题有很大的差别。对于一个热辐射问题,当其结构特征尺寸与热辐射波长相近时,其辐射传输特性会表现出新的特点。热辐射的本质是电磁波,利用电磁场理论可以准确地描述热辐射电磁波场量间的相互关系和波动特性。因此,基于Maxwell方程组的数值方法可以对周期性微结构的热辐射特性做出准确的模拟和分析。 本文基于Maxwell方程组,采用时域有限差分方法和平面波展开法,研究了一维周期性微结构在可见光和近红外波段的反射特性,讨论了其反射率曲线的特点以及影响因素,包括周期数、介质的折射率、介质的光学厚度以及入射角度等。并研究了在一维光子晶体的周期间加入金属钠米层时结构体系的反射特性,分析了微结构周期数和金属层厚度对其反射特性的影响,发现可以利用金属银的薄层使一维微结构在周期数很小时表现出明显的光子带隙并通过金属层厚度对禁带宽度进行控制。 为了达到控制一维周期性结构透射特性的目的,本文分别研究了以空气狭缝分割的一维光子晶体结构和表面添加周期性突起的该种结构的透射特性及其影响因素,得到了该种周期性微结构的选择性透射峰的透射率和位置与结构参数和材料折射率之间的关系,较好地实现对波长的选择透射性。 基于对一维周期性结构反射特性的研究,建立了仿南美闪蝶翅膀角质层结构的一种周期性微结构模型,通过对其在可见光波段反射特性的计算,分析了生物结构显色的原理。分别讨论了这种仿生周期性微结构的结构参数和环境折射率对其反射特性的影响。