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微纳器件红外吸收与热辐射特性研究

杜凯凯  
【摘要】:微纳光子学器件以其在光的产生、传输、探测等方面的调制作用在近年来得到广泛关注,红外波段以其热效应显著的特点在红外隐身、能源利用、工业监测等领域有广泛应用,将微纳光子学器件的调制性能与红外光热效应相结合,可以在徽纳尺度上对物体的红外吸收与辐射性能进行改变。传统的微纳红外器件通过改变光栅、光子晶体、FP谐振腔、超材料等微纳结构的形状和尺寸,从波长、强度、方向、带宽等多个角度对红外性能进行静态调制。将半导体量子阱、石墨烯、氧化钒等活性材料应用到微纳结构当中,通过改变电压或温度调节材料的光学性质,可以实现微纳器件的动态调谐,然而器件对于持续电压或高温的要求增加了其复杂度和能量消耗。尽管微纳红外器件已经实现了多种红外性能的调制,但可应用于实际的少之又少。因此,本文从可调谐微纳红外器件和微纳红外器件的应用两个角度考虑,设计了可调谐的微纳红外吸收/辐射器,并对微纳红外器件在红外探测和热调制领域的应用做了研究。在可调谐微纳红外吸收/辐射器方面,相变材料GST被应用到微纳器件中,利用GST相变前后显著变化的红外性质与金属的近似完美电导体的特性相结合,一种吸收率/辐射率在0.2-1范围内可调的徽纳红外吸收/辐射器得以实现。在此基础上,利用红外光在金属中的穿透作用和FP谐振对超薄金属中的电场增强,两种波长调谐的吸收/辐射器也被设计出来,在使两者的峰值波长在7 μm-13 μm范围内连续可调的同时保证吸收率/辐射率峰值始终在0.6以上。然后,一种GST光子晶体结构被提出,利用光子晶体中等离激元谐振与FP谐振的共同作用,设计出一种吸收/辐射带宽在200 nm和4.5 μm之间切换的带宽可调谐吸收/辐射器,通过控制GST的相变中间态,可以实现双峰吸收/辐射。在微纳器件的红外应用方面,第一个研究内容是基于超材料吸收器的微测辐射热计,基于超材料吸收器在中红外波段的吸收作用及微测辐射热计的光热效应的仿真计算,一种波长可选择的微测辐射热计被实现。第二个研究内容是基于银纳米纤维和超薄金属膜的透明保温材料。通过优化银纳米纤维的直径与间距,实现了可见光透过率与红外反射率均超过0.8的目标。在此基础上,超薄金属膜在Si02与PE表面的可见光透过率与红外反射率也被进一步研究,这两种设计可以在可见光透过率超过0.6的同时分别达到0.9和0.8以上的中红外反射率。在当前研究进展的基础上,可调谐微纳红外器件的发展方向被提出与解释。


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