实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体制造技术

本发明专利技术涉及一种实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体。它包括由四根或四根以上金属棒横向平行等间距排列组成横向层和由四根或四根以上金属棒纵向平行等间距排列组成纵向层，该横向层和纵向层相互交替叠加成层数为４的整数倍的三维立体结构，所述的横向层和纵向层之间设置介质层。本发明专利技术能够实现空间所有方向上的光谱控制，由于微结构本身的空间三个方向均存在周期性，因此能够实现空间各个方向上的光谱控制；光谱控制的可调节性得到大大加强，各金属棒层之间插入了一定厚度的介电材料层，通过改变介质层的厚度或者介电材料，可方便的调节光谱控制特性。

Three dimensional stacked photonic crystal controlled by thermal radiation spectrum

The present invention relates to a three-dimensional stacked photonic crystal for controlling thermal radiation spectrum. It consists of four or more than four metal rods transversely parallel and equidistant transverse component layer and is composed of four or more than four metal rods vertically parallel and equidistant longitudinal component layer, the transverse and longitudinal layer layer alternately stacked into three-dimensional structure layers in multiples of 4, medium layer is arranged between the horizontal the layer and longitudinal layer. The invention can achieve spectrum control in all directions of space, because the direction of the three micro structure itself space are periodic, it can achieve spectrum control in all directions of space; spectrum control adjustment has been greatly enhanced, the metal rod inserted into the layer of dielectric material layer with a certain thickness, by changing the the thickness of the dielectric or dielectric material, can adjust the spectral control properties of convenience.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热辐射光谱控制领域，可用于与热辐射光谱控制相关的热电转换技 术、光源技术、目标隐身等技术，特别是一种可实现热辐射光谱控制的三维层叠光子 晶体。
技术介绍
利用周期性微结构实现热辐射光谱控制是近年来发展起来的一种新型的热辐射光 谱控制方法。与传统方法相比，这种新方法具有控制特性好、控制方法灵活、应用范 围广等优点，可广泛应用于热电转换技术、节能技术、光源技术、激光技术以及目标 隐身等技术。周期性微结构是这种新方法实现热辐射光谱控制的关键所在，热辐射能量通过周 期性微结构时，微结构的周期特性将会调制和重新分配热辐射能量，从而使得热辐射 能量在不同的波段形成一定的反射、透射和吸收特性，因此微结构的结构周期特性决 定了其热辐射光谱控制的最终效果。美国的A. Narayanaswamy和G.Chen等人设计了一维金属/介电材料光子晶体结构 (A. Narayanaswamy, G. Chen. Thermal emission control with one-dimensional metallodielectric photonic crystals. PHYSICAL REVIEW B, 2004， 70: 125101-125104)。这 种周期性微结构由金属薄膜层和介电材料薄膜层沿空间一个方向周期交替排列而成， 具有一定的热辐射光谱控制效果。日本的Hitoshi Sai研究小组研究了金属鸨二维表面 光栅结构的热辐射控制特性(H. Sai, H. Yugami. Thermophotovoltaic generation with selective radiators based on tungsten surface gratings. APPLIED PHYSICS LETTERS, 2004， 85(16): 3399-3401),他们在金属钨板的表面加工出沿两个方向周期排列的方形凹坑， 通过凹坑的尺寸控制热辐射控制波段。以上两种典型周期性微结构均可用于热辐射的 光谱控制，但其共同缺点在于只能实现一个方向的热辐射光谱控制，且可调节性非常 有限。美国Sandia国家实验室的S. Lin、 J. G. Fleming和J. Moreno研究小组近年来一直 致力于三维积木状鸽光子晶体热辐射光谱控制的研究(S. Y. Lin， J. Moreno, J. G Fleming. Three-dimensional photonic-crystal emitter for thermal photovoltaic power generation. APPLIED PHYSICS LETTERS, 2003， 83(2): 380-382)。他们采用的金属鸽棒 类似于搭积木的方式在空间排列成周期结构，这种周期性微结构是一种严格意义上的 三维周期结构，因此能够实现空间所有方向的热辐射光谱控制，但需要改进的是光谱 控制的可调节性。如前所述，微结构的周期性是周期性微结构获得较好的热辐射光谱控制的关键所 在，这主要表现在周期的方向性和周期特征两方面 一、微结构周期的方向性决定了 热辐射光谱控制的方向，即微结构在空间的某个方向上存在一定特征的周期性，则将 在该方向上能够实现一定波段的热辐射光谱控制。二、周期特征决定了热辐射光谱控 制的特征，不同的周期特征将对进入微结构的热辐射能量形成不同的调制和分配的特 征，进而最终的热辐射能量的反射、透射和吸收的特征也将不同。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现热辐射光谱任意方向控制、可方便调节的三 维层叠光子晶体结构。实现本专利技术目的的技术解决方案 一种实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶 体，包括由四根或四根以上金属棒横向平行等间距排列组成横向层和由四根或四根以 上金属棒纵向平行等间距排列组成纵向层，该横向层和纵向层相互交替叠加成层数为 4的整数倍的三维立体结构，所述的横向层和纵向层之间设置介质层。本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的横向层和纵向层的金属棒的长度L》104、宽度W=0.3 0.5;i￡、高度H-0.3 0.5;ic以及各根金属棒的间距D=0.84, A为目标控制波段的下限波长。本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的横向层和纵向层的金属棒为 钨、金或铜金属材料。本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的介质层厚度为h=0.03 人为目标控制波段的下限波长。本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的介质层为二氧化硅或氧化钛 介电材料。本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的横向层和纵向层的金属棒的截 面为矩形。本专利技术与现有结构相比，其显著优点是(1)能够实现空间所有方向上的光谱控 制，由于微结构本身的空间三个方向均存在周期性，因此能够实现空间各个方向上的 光谱控制，这相比于一维金属/介电材料光子晶体结构、二维表面光栅结构，具有非常 突出的实用性；(2)相比于三维积木状钨光子晶体结构，光谱控制的可调节性得到大 大加强，各金属棒层之间插入了一定厚度的介电材料层，通过改变介质层的厚度或者 介电材料，可方便的调节光谱控制特性；(3)应用范围得到进一步的拓展，例如，其 方便的可调节性可用于目标隐身技术和激光技术。四附图说明图1是本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的主视结构示意图。 图2是本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的左侧视结构示意图。五具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1和图2，本专利技术实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体，包括由四根或四根以上金属棒横向平行等间距排列组成横向层1和由四根或四根以上金属棒纵向平行等间距排列组成纵向层2，该横向层1和纵向层2相互交替叠加成层数为4的整数倍的三维立体结构，所述的横向层1和纵向层2之间设置介质层3。实现本专利技术热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体的方法，为叙述方便，首先定义空间三维笛卡尔坐标系，横向为x方向，纵向为y方向，高度立体方向为z方向。热辐射光谱控制的下限波长为4。 (1)选用一定形状的金属棒(如钨、银或铜等)，金属棒的截面为矩形，且满足长度L大于等于l(U。、宽度W=(0.3 0.5)/t<， 、 H=(0.3 0.5)^;(2)将金属棒沿x方向平行等间距排列，金属棒的间距D-0.8々，金属棒的个数大于等于4，构成金属棒横向层l; (3)将金属棒沿y方向平行等间距排列，金属棒的间距 D=0.8^，金属棒的个数大于等于4，构成金属棒纵向层2; (4)在横向层l和纵向层2之间设置一层介电材料层(如二氧化硅或氧化钛等)，介电材料层3的厚度h=(0.03 0.4)々；(5)在z方向相互交替叠加横向层l和纵向层2，并在叠加的横向层l和纵向层2之间设置一层介电材料层，如此便可形成三维层叠光子晶体结构的基本单元体。 本专利技术中的三维层叠光子晶体结构至少由以上所述的一个基本单元体构成。下面以控制大于5pm (控制波段下限波长)的中远红外波段的光谱特性为例，说 明本专利技术的具体实施步聚1、 确定目标控制波段下限波长。控制波段的下限波长4-5^im，即目标控制波段为5pm至中远红外波段；2、 选取横向层1和纵向层2的金属材料。金属棒材料选取鸨；3、 确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体，其特征在于：包括由四根或四根以上金属棒横向平行等间距排列组成横向层［１］和由四根或四根以上金属棒纵向平行等间距排列组成纵向层［２］，该横向层［１］和纵向层［２］相互交替叠加成层数为４的整数倍的三维立体结构，所述的横向层［１］和纵向层［２］之间设置介质层［３］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宣益民，韩玉阁，李强，刘广平，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]