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近表层微结构红外辐射特性

裘俊  
【摘要】:传统的热辐射传输理论是基于几何光学假设,它不考虑近表层微结构内辐射传输的波动效应,因而在宏观尺度热辐射传输计算过程中具有很高的计算效率和精度。但是当材料的结构尺度参数逐渐接近热辐射波长时,近表层微结构内辐射传输的波动效应无法被忽略,传统的几何光学不再适用于计算微尺度热辐射传输效应。 严格的电磁场数值计算方法都是建立在麦克斯韦方程组基础之上的,能够精确地模拟电磁场传播过程,能够准确地计算微尺度热辐射传输效应,但是需要耗费相对较大的计算机内存和较多计算时间。 本文采用时域有限差分和严格耦合波分析这两种严格的电磁场数值计算方法研究了近表层微结构红外辐射特性。考虑光的波动效应,发展了部分相干与几何光学混合算法。并且搭建了微尺度热辐射特性测量实验台,进一步结合数值分析解综合分析微结构的红外辐射传输特性,主要工作包括以下四个方面: 1.研究了随机粗糙表面双向反射特性,考察了氧化膜以及表面水膜污染对随机粗糙表面红外辐射特性的影响。考虑了氧化膜引起的光的部分相干性,发展了部分相干与几何光学混合算法,研究一维随机粗糙硅表面及其包覆氧化硅膜后的辐射特性。将部分相干与几何光学混合算法与时域有限差分法的计算结果进行比较分析,找出部分相干与几何光学混合算法的适用范围,确定其计算精度。 2.对金属光栅的红外辐射特性进行研究,尤其是对其独特的共振现象产生的原因及变化规律进行了详细地分析。研究非金属及复合光栅的特性,找出不同共振波长下的不同的空腔共振模式。对微尺度正弦结构铝光栅样本进行测量,并且与数值计算结果进行比较分析。 3.考察金属氧化后的氧化膜对两种不同结构光栅(矩形光栅和锯齿形光栅)的辐射特性产生的影响。研究加工误差对光栅红外辐射特性产生的影响,并且发现了由于表面波、斜入射波以及散射波的耦合形成的光学漩涡现象。 4.设计了内嵌周期性圆柱形光学黑洞的光学平板结构,突破了常见的波长选择性吸收结构对光特定偏振方向的局限性。考虑目前的加工精度问题,研究和讨论了椭圆柱形光学黑洞的红外辐射特性。设计了方柱形光学黑洞结构,研究发现了其发生衍射现象的临界波长。对不同实际材料组成的方柱形光学黑洞的红外辐射特性进行了研究。考察了组成光学黑洞的不同材料种类的数量以及材料结构尺寸对其红外辐射特性的影响。


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