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JNWPU
Volume 42, Number 5, October 2024
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| Page(s) | 891 - 894 | |
| DOI | https://doi.org/10.1051/jnwpu/20244250891 | |
| Published online | 06 December 2024 | |
Directed infrared emissions of two designed metasurfaces with ceramic arrays
2种陶瓷阵列超结构表面的定向红外辐射
1
Shenyang Aero Engine Research Institute, Shenyang 110044, China
2
Shaanxi Huaqin Technology Industry Co., Ltd., Xi'an 710119, China
3
Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
Received:
1
December
2023
Two metasurfaces of ceramic arrays (A and B) were designed and the 11 μm infrared emission behaviors of them were studied. Both metasurfaces show obvious directed IR emissions. For array A, the radius of inner cylinder R1 and thickness t1 of the ceramics dominate the directional behavior of the IR emissions. The optimized structural parameters are R1=1.0 μm and t1≥1.2 μm with an effective IR emission angle θ in 0°~50 ° and emissivity ε≥0.7 achieved. For array B with Rc=1.05 μm, R1=0.1 μm, t1=0.85 μm, the IR emission is mainly constrained in θ>10°, and an obvious ϕ dependence is observed as θ>40°. The IR emission is higher at ϕ=45° or 135°(±45°) as θ>10° with ε=0.4 at θ=65°. The IR emission is affected by the thickness t1 obviously, with an effective thickness 0.3 μm≤t1≤1.7 μm at Rc=1.0 μm, R1=0.3 μm, and ϕ=0°. For array B with the optimized t1=1.2 μm (ϕ=0°), the IR emission is directed at θ~40° with the emissivity 0.7.
摘要
设计了2种陶瓷阵列超结构表面(A, B), 并研究了该超结构表面的11 μm红外辐射空间特征。二者均具有明显的定向辐射特征, 对于阵列A, 圆柱芯半径R1与阵列厚度t1对红外辐射定向特性影响明显, 最优的定向结构参数: 圆柱芯半径R1=1.0 μm, 阵列层厚度t1≥1.2 μm, 可实现辐射角度0°~50°, 发射率ε≥0.7的有效定向红外辐射调控。对于阵列B, 当Rc=1.05 μm, R1=0.1 μm, t1=0.85 μm时, 体系辐射集中在法向角θ>10°区域, 并在θ>40°后呈现出明显的ϕ角度依赖性, 当ϕ=45°或135°(±45°)时, 体系红外辐射明显增强, θ=65°, ϕ=45°时, ε在0.4量级。阵列层厚度t1对体系定向红外辐射有明显影响, 在Rc=1.0 μm, R1=0.3 μm, ϕ=0°时, 高效定向辐射的有效阵列层厚度为0.3 μm≤t1≤1.7 μm, 其最优值为t1=1.2 μm, ϕ=0°时的特征辐射法向角为40°, 发射率为0.7。
Key words: metasurface / directed IR emissions / infrared emissivity
关键字 : 超结构表面 / 定向红外辐射 / 红外发射率
© 2024 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.
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超材料(metamaterial)是结构特征尺寸l在λ/10~λ之间的复合材料体系。通过构建电磁波能带-禁带结构, 获得传统材料或技术无法实现的超常规介质参数, 实现常规材料无法实现的功能特性, 如右手材料、左手材料、电负材料、磁负材料等[1–3]。红外辐射作为电磁波的一种, 也可通过超材料技术进行红外特性调控。美国圣地亚国家实验室Burckel等[4]研究了硅衬底方孔镀金的超结构红外辐射行为, 该超结构在波长>10 μm时, 随波长增加, 辐射角度逐渐偏离法线方向, 呈现明显的辐射定向行为, 在波长为15 μm时, 辐射定向角度为70°。美国宾夕法尼亚州立大学的Bossard与Werner针对波长为1.55 μm红外辐射, 优化设计了具有电磁带隙结构及介电谐振阵列结构的多种定向辐射表面超结构[5], 选用金、锗作为金属层与电介质层, 优化设计具有四重对称或八重对称性的超结构表面, 实现法向角θ为40°的TE-TM波定向辐射。香港中文大学王建方教授团队总结了基于纳米超结构的光辐射定向研究进展[6], 通过纳米等离子体(金属)的超结构设计, 可以有效实现可见光的定向辐射。浙江大学贺赛灵教授与美国普渡大学Kildishev教授研究了一种设计波长为1 μm的近红外超表面[7], 由Si衬底、Au膜、SiO2介质层及表面Au阵列超结构组成, 通过优化, 结构周期600 nm, Au膜厚150 nm, SiO2层厚110 nm, Au阵列厚80 nm, 可实现最高30°的辐射定向效果, 并具有明显的TE-TM波特性。
本文选取金、硅作为超结构组元, 设计具有阵列结构的11 μm红外定向辐射表面超结构, 研究结构参数对辐射角度的定向作用。
1 模型与计算方法
本文设计2种超结构阵列A, B模型如图 1~2所示。超结构单胞周期为5.5 μm×5.5 μm, 由基底层与阵列层组成, 基底层为厚120 nm的Au。模型A阵列层由环-芯柱结构的无损耗陶瓷(Si)组成, 中心圆柱半径为R1, 外层圆环内径为R2, 宽度为w(本文中固定为0.25 μm), 厚度均为t1。模型B柱状阵列由无损耗陶瓷(Si)组成, 含2种不同半径的圆柱, 半径分别为Rc, R1, 厚度均为t1。采用有限元方法计算模拟体系的稳态红外发射率空间(法向角θ、航向角ϕ)特征, 根据基尔霍夫(Kirchhoff)热辐射定律, 热平衡状态下体系的红外发射率ε等于其红外吸收率α, 模型的空间红外发射特性由空间红外吸收特性获得。理论模拟选取11 μm TE红外辐射(电磁波), Au折射率15.4、消光系数80.5, Si折射率3.421 3、消光系数0.019, 阵列以Floquet周期处理, 为简化计算与分析的复杂度, 每次仅研究红外发射率对2个参数的依赖关系。
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图1 本文超结构阵列模型A示意图 |
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图2 本文超结构阵列模型B及辐射角度示意图 |
2 结果与讨论
2.1 阵列A的辐射特性
1) 圆柱芯半径R1对红外辐射的影响。选取R2=2.4 μm, t1=1.5 μm, 研究阵列超表面的11 μm红外辐射θ, R1空间特性, 其红外发射率ε-θ-R1关系如图 3所示。当柱芯较小时(R1 < 0.8 μm), 体系红外特性主要由外层圆环主导, 红外辐射定向在50°~60°之间, 辐射角θ受R1影响较小, 随着R1增大, 辐射角θ向低角度方向(法向)移动, R1>1.4 μm时, 体系的11 μm红外辐射集中在法向周围0°~35°范围内, 辐射的定向特性减弱。综合考虑定向特征与辐射强度, 圆柱芯半径R1为1.0 μm左右时, 体系的红外辐射定向效果最优。
2) 圆环半径R2对红外辐射的影响。选取R1=1.0 μm, t1=1.5 μm, 研究阵列超表面的11 μm红外辐射θ, R2空间特性, 其红外发射率ε-θ-R2关系如图 4所示。体系的红外特性主要由芯柱主导, 红外辐射定向在45°~50°之间, 辐射的定向特性明显, 辐射角θ受R2影响较小, R2增大时, 辐射角θ先向高角度方向移动, 后向低角度方向(法向)移动, R2=1.3 μm时, 辐射角θ最大, 为50°。体系定向角度的最大发射率ε为0.8。
3) 陶瓷(Si)阵列厚度t1对红外辐射的影响。选取R1=1.5 μm, R2=2.0 μm, 研究阵列超表面的11 μm红外辐射θ, t1空间特性, 其红外发射率ε-θ-t1关系如图 5所示。体系的红外特性受阵列层厚度影响明显, 随阵列层厚度t1增加, 红外辐射定向角度θ向法向移动, 辐射覆盖范围逐渐增加, 定向性逐渐变差, 辐射强度也逐渐增加。阵列层作为红外辐射的功能层, 当阵列层厚度t1≤0.4 μm时, 体系红外辐射极弱, ε<0.1。当t1≥0.5 μm时, 体系表现出可观的红外辐射, 辐射角θ由75°向低角度方向移动, t1=2.5 μm时, 红外辐射定向在θ=20°~30°之间, 发射率ε为0.7。综合考虑定向特征与辐射强度, 圆柱芯半径t1≥1.2 μm时, 体系的红外辐射定向效果最优。
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图3 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-R1关系图 |
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图4 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-R2关系图 |
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图5 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-t1关系图 |
2.2 阵列B的辐射特性
1) 阵列B的红外辐射空间特性。选取并固定Rc=1.05 μm, R1=0.1 μm, t1=0.85 μm, 研究阵列超表面的11 μm红外辐射θ, ϕ空间特性, 其红外发射率ε-θ-ϕ关系如图 6所示。此超表面的11 μm红外辐射具有明显的空间依赖性, 法线(θ=0°)发射率ε在0.1量级, 且与平面内航向角ϕ无关, 与预期相一致。当法向角θ增大时, 体系的发射率也随之增加, 并在θ > 40°后呈现出对航向角ϕ的依赖性, 当ϕ=45°或135° (即±45°)时, 体系红外辐射明显增强, 对应图 1超结构的面对角线方向, 如θ=65°, ϕ=45°时, ε在0.4量级。当法向角进一步增大至85°以上时, 此时11 μm红外辐射最为强烈(ε > 0.5), 几乎平行于超结构阵列平面, 且对航向角ϕ的依赖性再次减弱。一般而言, 法线方向材料的红外辐射功率最大, 因此, 此超结构设计具有明显的定向辐射特征, 可实现对体系红外辐射的定向调控。
2) 陶瓷(Si)阵列层的厚度对红外辐射的影响。进一步研究了陶瓷阵列层厚度t1对体系红外辐射的影响。选取并固定Rc=1.0 μm, R1=0.3 μm, ϕ=0°, 体系的ε-θ-t1关系如图 7所示。如2.1节所述, 当法向角大于85°时, 体系11 μm红外辐射最强烈, 几乎平行于超结构阵列平面, 这是电介质超结构的普遍特征, 此处不作为研究讨论重点。当阵列层厚度t1≤0.3 μm时, 陶瓷(Si)阵列层在超结构中比例很小, 体系红外辐射由Au基底层主导, 因金属红外发射率普遍较低, 超表面的红外辐射整体处于较低水平(ε < 0.1), 且定向辐射特征不明显。随着陶瓷阵列层厚度增加, 尤其是t1≥0.8 μm, 体系11 μm红外辐射强度也逐渐增加, 并表现出明显的定向辐射特征, 其特征法向辐射角θ随t1增加而逐渐向低角度移动。当阵列层厚度t1≥1.7 μm时, 红外辐射基本处于法向方向, 定向调控特征已不明显。总之, 要实现高效的定向辐射, 此电介质阵列超结构设计, 需控制阵列层厚度在一定范围内, 此处为0.3 μm≤t1≤1.7 μm, 定向辐射的最优值为t1=1.2 μm, ϕ=0°时的特征辐射法向角为40°, 发射率为0.7。
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图6 阵列的11 μm红外发射率ε-θ-ϕ关系图 |
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图7 阵列的11 μm红外发射率ε-θ-t1关系图 |
3 结论
本工作设计了2种阵列超结构表面A, B, 并研究了该超结构表面的11 μm红外辐射空间特征。研究表明, 设计的2种超结构表面具有明显的定向辐射特征, 对于超结构阵列A, 圆柱芯半径R1与阵列厚度t1对红外辐射定向特性影响明显, 最优的定向结构参数：圆柱芯半径R1为1.0 μm, 阵列层厚度t1≥1.2 μm, 可实现辐射角度0°~50°的发射率ε≥0.7的有效定向红外辐射调控。对于超结构阵列B, 当Rc=1.05 μm, R1=0.1 μm, t1=0.85 μm时, 体系辐射集中在法向角θ > 10°区域, 并在θ>40°后呈现出对航向角ϕ的依赖性, 当ϕ=45°或135°(即±45°)时, 体系红外辐射明显增强, 对应超结构的面对角线方向, θ=65°, ϕ=45°时, ε在0.4量级。陶瓷阵列层厚度t1对体系定向红外辐射有明显影响, 在Rc=1.0 μm, R1=0.3 μm, ϕ=0°时, 要实现高效的定向辐射的有效阵列层厚度为0.3 μm≤t1≤1.7 μm, 其最优值为t1=1.2 μm, ϕ=0°时的特征辐射法向角为40°, 发射率为0.7。
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All Figures
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图1 本文超结构阵列模型A示意图 |
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图2 本文超结构阵列模型B及辐射角度示意图 |
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图3 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-R1关系图 |
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图4 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-R2关系图 |
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图5 阵列A的11 μm红外发射率ε-θ-t1关系图 |
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图6 阵列的11 μm红外发射率ε-θ-ϕ关系图 |
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图7 阵列的11 μm红外发射率ε-θ-t1关系图 |
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