[发明专利]非对称渐变折射率自动波导构件及其器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种非对称渐变折射率波导，特别是非对称渐变折射率自动波导的构件及其器件。

技术背景

辐射是物质，热辐射是一种能量形式，是一切物质的固有属性，所有物质都在不断地发射、吸收热辐射，热辐射具有动力学性质。传热通过热动(分子热运动)热力学温度梯度、辐射热力学温度梯度实现。热动温度梯度的传热依靠介质宏观运动和微观粒子热运动，辐射温度梯度的传热是依靠电磁波传输，热动传热与辐射传热有本质的不同。由于物性、涂层、温度、波长、立体角的影响，物体的辐射换能具有方向性和选择性。辐射波长、发射率、能流密度等差异可引起“红移”、“蓝移”。封闭腔壁面的辐射换热，除表面特性的变化外，辐射频率、几何因素、透射介质特性等等都影响一个表面的辐射到达另一个表面的份额，影响封闭腔辐射能流密度、能流率和温度的分布。

任何物质中的各个微粒都在不断地相互交流能量子(热辐射)，单一热源中的微粒，辐射量子和吸收量子处于平衡状态。在光学器件中，导光系统、聚集系统等光学系统可以引导、聚集光辐射，但是，不管是端面直接耦合、楔状薄膜耦合、楔状光纤耦合、光栅耦合、陵镜耦合的器件还是其它任何光学器件，都不能像晶体二极管整流交流电那样整流单一热源中微粒之间的交流量子，因此目前的任何光学器件都不能在单一热源中利用热量做功，更不能把低温物体的热量自动地聚集、输送到高温物体。

物质微粒交流的量子是能量，是有动量的运动物质，整流量子即可能在单一热源中制造热力学温度梯度，利用热量做功，即可能通过整流、聚集量子的方式将低温物体的热量聚集到高温物体。当介质能够无能耗地调制透射的量子，使表面辐射换热没有互换性，自动维持表面与单一热源交流量子的不平衡状态，表面即可整流量子，形成自动波导的换热正负极，换热净辐射热流量呈正值的表面为正极，换热净辐射热流量呈负值的表面为负极。

介质产生自动波导的换热正负极，前提是表面辐射换热的角系数没有互换性。

表面A_i的辐射中直接到达表面A_j的辐射份额称为角系数，用F_i→j表示。等温黑体或灰漫表面换热，有效辐射均匀，两个表面辐射换热的角系数有互换性：A_iF_i→j＝A_jF_j→i。

角系数有互换性只是在参与辐射换热的表面为等温的黑体或灰漫表面才能正确，在分析辐射换热时，必须充分考虑辐射和传输介质的相互作用、相互关系、相互影响，否则会造成错误。角系数没有互换性的例子如：

根据费马原理，在渐变折射率介质中，光线的行进轨迹总是从低折射率区弯向高折射率区。假如有两个物体，表面紧贴在图1非对称渐变折射率介质的i面、j面进行辐射换热，j面高折射率区物体射向低折射率区的辐射，总有辐射在拐点的有效范围内，拐弯回到j面物体，而i面低折射率区物体，射向对方的辐射都能到达j面物体，这两个物体辐射换热的角系数不可能有互换性。又如，介质只透射某些波段的热辐射，两个物体辐射峰值的波段不同，只要一个物体有某些辐射波段不能透过介质，介质两个面的角系数即没有互换性。普通玻璃透射的辐射波长小于3μm，太阳的绝大部分热辐射波长在3μm以下，基本上都能透射普通玻璃，300K左右的物体热辐射波长在3μm以上不能透射普通玻璃，所以普通玻璃表面对太阳与300K左右物体的辐射换热角系数没有互换性。人们把这种现象称为温室效应，做成了太阳能温室。

其实，两个物体表面透过介质进行辐射换热，角系数没有互换性比比皆是。两个表面，只在灰漫表面，辐射的频率相同，介质的作用和影响与真空相同的严格条件下，角系数才能具有互换性。温度不同的灰漫表面辐射换热，介质的作用、影响类似真空，高温表面辐射的热流量较大，热量从高温传递到低温，介质的高温表面与低温表面的角系数没有互换性；假如换热的辐射不是漫射，而是定向辐射，不对射的定向辐射没有互换性可言，即便是对射，也必须在极苛刻的条件下才可能有辐射换热的互换性，举一个简单的例子，a为1000W探照灯，b为1000W红外线激光器，a、b不对射，足够远的距离外，它们的辐射换热趋于0，b不向a照射而a向b照射，热量从a流向b，a、b对射，由于a的辐射面积大，只有一部分热量传递到b，b辐射的是单色光，散射角很小，热量被聚集于a的极小一点，可能将a摧毁，它们辐射换热的角系数不可能有互换性。透射介质使辐射换热角系数没有互换性的例子更多，本发明所列出的例子即是其中的一部分。