本文關(guān)鍵詞：飛秒激光制備微納米周期結(jié)構(gòu)的熱輻射特性研究　出處：《北京工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：當(dāng)光的波長與結(jié)構(gòu)的周期相近時(shí),會(huì)有新奇的光學(xué)現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)大自然中結(jié)構(gòu)色的啟示,利用表面周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的操控一直是熱門的研究方向,這種操控不僅僅局限于可見光波段,對(duì)于紅外波段的熱輻射同樣可以實(shí)現(xiàn)利用表面結(jié)構(gòu)的操控。已有相關(guān)的研究表明,利用表面微納米結(jié)構(gòu)對(duì)熱輻射進(jìn)行操控在熱光伏器件、輻射散熱器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的研究大多局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),這是因?yàn)槌Ｓ玫睦绻饪痰任⒓庸ぜ夹g(shù)雖然可以取得很好的加工效果,但是具有對(duì)環(huán)境要求高、工藝復(fù)雜、對(duì)加工材料具有選擇性、難以大面積制造等缺點(diǎn)。而飛秒激光微加工技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了一條新的思路。研究利用飛秒激光制備微納米周期結(jié)構(gòu)及其熱輻射特性將有助于開拓更多的加工手段用于熱輻射控制相關(guān)器件的應(yīng)用,同樣也開拓了飛秒激光微加工的應(yīng)用領(lǐng)域。本文主要針對(duì)飛秒激光加工制備微納米周期結(jié)構(gòu)及其熱輻射特性進(jìn)行研究。以表面等離子體激元共振為理論基礎(chǔ),以嚴(yán)格耦合波分析方法為模擬工具,以飛秒激光加工為實(shí)驗(yàn)手段,利用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行材料熱輻射光譜的測量。本文的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1.利用飛秒激光斜入射到金屬鎢靶上進(jìn)行亞波長光柵結(jié)構(gòu)的制備,獲得了光柵周期為349~620 nm的亞波長光柵結(jié)構(gòu)。研究了利用飛秒激光直寫加工微米級(jí)周期結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)效果,測量了在飛秒激光不同平均功率下所制備的周期結(jié)構(gòu)溝槽寬度與平均功率的關(guān)系。為下一步制備光柵結(jié)構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.通過嚴(yán)格耦合波分析模擬計(jì)算了周期為10μm、占空比為0.5的微納米光柵結(jié)構(gòu)的深度對(duì)反射率的影響,模擬結(jié)果顯示,當(dāng)光柵深度為1μm時(shí),以TM波入射會(huì)產(chǎn)生吸收增強(qiáng)現(xiàn)象。模擬了深度為1μm,占空比為0.5的微納米光柵結(jié)構(gòu)的周期對(duì)反射率的影響,結(jié)果顯示,以TM入射時(shí),會(huì)有中心波長與光柵周期相近的吸收增強(qiáng)峰出現(xiàn)。結(jié)合基爾霍夫熱輻射定律,此模擬結(jié)果可以推廣到材料的發(fā)射增強(qiáng)現(xiàn)象。3.通過在金屬鎳、金屬鉻、鈦合金上制備一維微納米光柵結(jié)構(gòu),在不同光柵周期、不同觀察角度、不同溫度下進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用光柵結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)從35%~84%的熱輻射強(qiáng)度增強(qiáng);微納米光柵結(jié)構(gòu)的周期與熱輻射增強(qiáng)峰的中心波長相近;利用微納米光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱輻射增強(qiáng)在300攝氏度以下時(shí)具有熱穩(wěn)定性,即增強(qiáng)峰的中心波長不隨溫度變化而變化;以一定傾角觀察熱輻射增強(qiáng)峰的波長,隨著角度的增大,增強(qiáng)峰的波長在減小,提出了將光柵投影到正入射平面上的方法來計(jì)算增強(qiáng)峰的波長,經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。通過雙周期一維光柵結(jié)構(gòu)的熱輻射增強(qiáng)譜發(fā)現(xiàn),在具有多個(gè)光柵周期的一維光柵結(jié)構(gòu)中,各周期結(jié)構(gòu)的熱輻射增強(qiáng)效果是各自獨(dú)立的。4.單周期同心矩形結(jié)構(gòu)可以獲得與一維光柵結(jié)構(gòu)一樣的熱輻射增強(qiáng)峰,由于具有平行及垂直兩個(gè)方向的光柵結(jié)構(gòu)與表面等離子體激元共振增強(qiáng)熱輻射,利用紅外熱成像儀及紅外偏振片可以清晰分辨出不同光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)熱輻射增強(qiáng)的圖像。雙周期同心矩形結(jié)構(gòu)由于具有10μm及15μm兩種光柵結(jié)構(gòu),在利用偏振片設(shè)置偏振方向?yàn)槠叫谢虼怪睍r(shí),可以分別獲得10μm光柵結(jié)構(gòu)的熱輻射光譜及15μm光柵結(jié)構(gòu)的熱輻射光譜,而未放置偏振片時(shí)的熱輻射光譜是這兩個(gè)光譜共同組成。研究單周期同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)的熱輻射光譜,測量了不同偏振角下的熱輻射增強(qiáng)峰,從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)可以提供類似于自然光的均勻偏振方向的熱輻射增強(qiáng)效果。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN249

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本文編號(hào)：1320100