[发明专利]实现热辐射光谱控制的三维层叠光子晶体

说明书

一技术领域

本发明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。

二背景技术

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-dimensionalmetallodielectric 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钨二维表面光栅结构的热辐射控制特性(H.Sai，H.Yugami.Thermophotovoltaic generation withselective 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钨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 powergeneration.APPLIED PHYSICS LETTERS，2003，83(2)：380-382)。他们采用的金属钨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。

三发明内容

本发明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。

实现本发明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。

本发明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≥10λ_c、宽度W＝0.3～0.5λ_c、高度H＝0.3～0.5λ_c以及各根金属棒的间距D＝0.8λ_c，λ_c为目标控制波段的下限波长。

本发明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。

本发明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＝0.03～0.4λ_c，λ_c为目标控制波段的下限波长。