光子晶體應用于紅外輻射光譜控制的探索研究.pdf

1、紅外探測技術(shù)已在軍事中廣泛應用，如何有效避免暴露重要目標紅外特征，減少損失，已成為一個亟需解決的問題。因此，紅外隱真材料的研發(fā)正引起科學家極大的重視。光子晶體（Photonic Crystal）因光譜特性會隨結(jié)構(gòu)改變而相應發(fā)生變化，在信息處理、光學器件、熱光伏系統(tǒng)等領域得到了廣泛的應用。而利用光子晶體的特性實現(xiàn)大氣窗口紅外輻射的抑制則是一個新穎的研究領域。
　　 在利用光子晶體材料抑制大氣窗口波段（3～5μm與8～14μm）發(fā)射

2、輻射的初步研究中，建立了一維光子晶體模型，利用傳輸矩陣法分析了多種基底材料和光子晶體材料組合及其自發(fā)輻射對抑制效果的影響。結(jié)果表明，當光子晶體的高低折射率介質(zhì)分別為Si與KCL，在3～5μm與8～14μm內(nèi)，基底分別為處于100℃的AL、SiC及假想表面（發(fā)射率為1的表面）時，表面的發(fā)射輻射均得到較好的抑制。對于相同基底，如果光子晶體組成材料的高低折射率比值越大（如選擇Ge與KCL），抑制效果越好。
　　 其次，在不考慮3～5μ

3、m波段發(fā)射輻射的情況下，采用傳輸矩陣法分析了光子晶體對8～14μm波段發(fā)射輻射的抑制作用。依據(jù)材料的光學特性，選擇了Ge與ZnS作為光子晶體的組成材料。對光子晶體的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，Ge與ZnS的優(yōu)化厚度分別為0.63mm和1.11mm，光學厚度比為1:1，周期數(shù)為8。利用真空蒸發(fā)鍍膜法制備了光子晶體，并測定了制得光子晶體的光學性質(zhì)，從理論與實驗兩個角度驗證了光子晶體對大氣窗口發(fā)射輻射的抑制作用。
　　 然后，針對光子晶體材料對大

4、氣窗口發(fā)射輻射的抑制作用進行進一步的實驗研究，從側(cè)面論證模型的正確性，并探索在不同溫度情況下的實際抑制效果。采用真空熱蒸鍍的方法，在不同材料上制備了多周期的Ge/ZnS光子晶體。通過對底部加熱，并采用紅外熱像儀分別拍攝有無光子晶體覆蓋的材料的熱圖，對比熱圖來充分展示出該種周期結(jié)構(gòu)材料具有抑制物體表面發(fā)射輻射的特性。結(jié)果表明，只要能保證基底表面的平整度，就可以通過熱圖充分展示出光子晶體的禁帶特性，當實測溫度為100℃時，五組實驗中紅外熱像

5、儀的顯示溫度最低可達26.5℃。
　　 接下來，采用有限時域差分法對Ge/NaF光子晶體的光譜特性進行了設計。由該結(jié)構(gòu)的反射/透射譜發(fā)現(xiàn)，周期數(shù)為7的光子晶體在8～14mm內(nèi)的反射率可達0.99，能較好地抑制大氣窗口發(fā)射輻射。為實現(xiàn)大氣窗口特定波長（如10.6mm）處的光譜透射峰，探索了引入第三種介質(zhì)或改變原有膜層厚度的方式來形成結(jié)構(gòu)缺陷，從而實現(xiàn)低反射的方法。發(fā)現(xiàn)引入第三種紅外透明介質(zhì)形成缺陷的方式無法在特定波長處形成透射峰，

6、而改變原有膜層厚度形成缺陷的方式可在特定波長處實現(xiàn)透射峰，如10.6mm處透射率高達0.938。
　　 最后，建立了采用一維MgF2/ZnS型光子晶體濾波器的硅電池TPV系統(tǒng)的熱物理模型。針對高溫輻射器的輻射能量分布與Si電池的響應帶隙失配的情況，設計了一種基本結(jié)構(gòu)為|L/2HL/2|5的一維光子晶體濾波器，并通過主禁帶中心波長平移的方式得到了改進型濾波器。當黑體輻射器的溫度為1800K時，采用主禁帶中心波長為1.69μm的濾波

7、器的TPV系統(tǒng)的電池輸出功率密度與水冷功率密度分別為1.57和36.30Wcm-2，相對采用主禁帶中心波長為1.39μm的濾波器的TPV系統(tǒng)，分別提高了8.3％和降低了10.4％。并針對水冷功率密度較大的問題，在主禁帶中心波長為1.69μm的濾波器基礎上，提出了依次將多套不同主禁帶中心波長的濾波器組合的方案（結(jié)構(gòu)為|L/2HL/2|s|L/2HL/2|s1…|L/2HL/2|sn），使其主禁帶首尾相接形成較寬的反射帶，在適當犧牲電池輸出