基于Fabonacci准周期结构的非互易热辐射器的制作方法

基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器
技术领域
1.本发明涉及磁光材料的热辐射器技术领域，尤其涉及一种基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器。


背景技术：

2.根据传统的基尔霍夫定律，一个物体的光谱方向辐射率一般等于光谱方向吸收率。这个现象是由于一般化麦克斯韦尔方程的洛伦茨互易特性所致【l.d.landau,et al.,electrodynamics of continuous media,2nd ed.(pergamon,1984)】，它提供了测量物体光谱辐射率的一种简便方法。另一方面，近年来，研究发现传统的基尔霍夫定律仅仅对互易材料构成的器件有效，对非互易材料(比如，i型磁外耳半金属，磁光材料和石墨烯等)构成的器件不再有效，此时将会产生非互易热辐射现象(光谱方向辐射率不等于光谱方向吸收率)，从而验证了违背基尔霍夫定律的现象。这些发现也显示了将非互易材料引入光子结构将促进具有更先进功能的新型能量器件的发展。
3.非互易辐射通常定义为光谱方向吸收率和光谱方向辐射率的差值，也就是差值越大，非互易辐射也越强。由于在多个领域具有巨大的潜在应用价值，非常有必要采用新的物理机制和结构来获取强的非互易辐射。zhu等人设计了一种基于磁光材料(inas)光栅结构的非互易热辐射器，当外部磁场为3t时，可以在15.96微米处实现强的非互易辐射【zhu,et al.,phys.rev.b 90,220301(2014)】。随后，为了减少工作时的外加磁场，zhao等人提出了一种导模谐振结构，即一层inas平板被放置在一个电介质光栅层和金属反射镜之间，该结构可以在0.3t的外加磁场下实现近乎完美的非互易热辐射【zhao,et al.,opt.lett.44,4203(2019)】。尽管此处所需要的外加磁场很小，但是工作波长必须远至25微米，这是由于inas材料在更长的波长处拥有更强的磁光效应，因而在更长的波长处也更容易在更小的外加磁场下获得强的非互易性。但是在实际应用中，由于外在温度高于300k，因而热辐射的作用波长通常被限制在20微米以内。为此，wu等人设计了一种inas平板-电介质光栅-金属反射镜的三明治结构，在外加磁场2t时，它可以在15.835微米处获得强的非互易辐射【wu,et al.,es energy environ.13(2021)】。但是，这些热辐射器都基于结构化的光子结构，从而增加了制作成本。为了解决这一问题，wu等人设计了一种平板结构，基于棱镜的耦合效应来实现强的非互易辐射，但是棱镜的使用会限制器件的集成化【wu,et al.,es energy environ.12(2021)】。近年来，wu等人提出了一种磁光晶体结构，通过激发tamm等离激元可以在30
°‑
60
°
的入射角范围内实现强的非互易性。虽然这种结构在60
°
入射角时的非互易性大于0.9，但是当入射角增加到30
°
时，非互易性减小到0.87。
4.一维光子晶体结构通常是利用镀膜工艺，在衬底上加工出的多层薄膜结构的晶体。基于磁光材料的衍射问题，不能由简单的光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的基于各向异性材料的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。moharam等人已给出了各向异性严格耦合波理论的算法【li et al.,j.opt.soc.am.a,13,1870-1876(1996)；li et al.,j.opt.a:pure appl.opt.5,345-355(2003)】，可以解决这类
基于各向异性材料的光子结构的衍射问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，目的是实现当磁场强度为3t、光以30
°
角入射时，热辐射器可始终保持近似0.9的非互易性。
6.基于上述目的，本发明提供了一种基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，所述热辐射器包括由下到上依次设置的电介质衬底、金属反射镜和fabonacci准周期磁光晶体结构层，所述fabonacci准周期磁光晶体结构层包括设于金属反射镜上的电介质平板层和堆叠设于电介质平板层上的周期性堆叠层，所述周期性堆叠层包括磁光材料层和堆叠设于磁光材料层上的多层电介质平板层。
7.所述周期性堆叠层中堆叠设于磁光材料层上的多层电介质平板层为五层由下到上依次堆叠设置的电介质平板层。
8.所述周期性堆叠层为六层，且六层周期性堆叠层由下到上依次堆叠设置。
9.所述磁光材料层的厚度为1.05-1.15微米；所述电介质平板层的厚度为0.58-0.64微米，所述金属反射镜的厚度大于0.1微米。
10.所述磁光材料层的厚度为1.1微米，电介质平板层的厚度为0.61微米，所述金属反射镜的厚度为0.2微米。
11.所述电介质衬底和电介质平板层的材质均为二氧化硅。
12.所述金属反射镜为铝反射镜。
13.本发明的有益效果：
14.1、本发明基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，当磁场强度为3t、光以30
°
角入射时，其在15～16微米的波段范围内，将产生强的非互易辐射，随着结构参数的变化，非互易辐射的光谱会发生频移，非互易的峰值会随之发生频移，但是可始终保持近似0.9的非互易性。特别是当非互易热辐射器的fabonacci准周期磁光晶体层由磁光材料(a)和电介质平板(c)按照序列排列(f3＝(c5a)6c)组成，磁光材料平板的厚度为1.1微米，电介质平板的厚度为0.61微米，所述金属反射镜的厚度为0.2微米时：当外加磁场为3t，红外波段的光以30
°
角入射时，其在15.582微米处将产生最大的非互易峰值，其非互易性高于0.906。
15.2、本发明具有使用灵活方便、非互易性高等优点，是一种非常理想的非互易热辐射器件，利用镀膜工艺，可以大批量、低成本地生产，制作后的吸收器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为本发明实施例在外加磁场3t，tm偏振光以30
°
角入射时器件吸收和辐射随波长变化的曲线；
19.图3为图2中实施例的非互易性随波长变化的曲线。
20.图中标记为：
21.1、入射区域；2、fabonacci准周期磁光晶体结构层；3、金属反射镜；4、电介质衬底；h1、磁光材料层a的厚度；h2、电介质平板层c的厚度。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
23.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
24.如图1所示，一种基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，包括由下到上依次设置的电介质衬底4、金属反射镜3和fabonacci准周期磁光晶体结构层2，fabonacci准周期磁光晶体结构层2包括设于金属反射镜3上的电介质平板层c和堆叠设于电介质平板层c上的周期性堆叠层，周期性堆叠层包括磁光材料层a(磁光材料的介电常数张量ε)和堆叠设于磁光材料层a上的多层电介质平板层c。
25.经过实验验证，作为一种较好的实施形式，周期性堆叠层中堆叠设于磁光材料层a上的多层电介质平板层为五层由下到上依次堆叠设置的电介质平板层c。
26.为了便于实现该热辐射器具有较高的非互易性，周期性堆叠层优选为六层，且六层周期性堆叠层由下到上依次堆叠设置。
27.如图1所示，fabonacci准周期磁光晶体结构层2由磁光材料层a和电介质平板c按照序列排列(f3＝(c5a)6c)组成，磁光材料层a的厚度为1.05～1.15微米，电介质平板层c的厚度为0.58～0.64微米，金属反射镜3的厚度大于0.1微米。在实际制作中，选择一片熔石英衬底，在其上镀上适当厚度的金属铝膜，接着按照序列(c5a)6c)镀上磁光材料层和熔石英层。
28.如图1所示，入射区域1是均匀的，为空气(折射率n1＝1)。tm偏振光以30
°
角入射到该器件，tm偏振光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，即y轴(磁场方向沿y轴)。在如图1所示的几何结构下，本发明采用各向异性严格耦合波理论计算了该非互易热辐射器在红外波段范围内的吸收和辐射效率。我们利用各向异性严格耦合波理论和模拟退火法则【w.goffe et al.,j.econometrics 60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种非互易热辐射器的结构参数。
29.下面给出本发明的一个具体实施例，此时底部金属反射镜的材料为铝(al)，其折
射率参考文献【m.a.ordal et al.,appl.opt.24,4493(1985)】，电介质层c和电介质衬底的材料为sio2，其折射率为1.45，磁光材料层a的材料为inas，其介电常数张量在红外区域可以表示成:
[0030][0031]
其中
[0032][0033][0034][0035]
其中详细的参数定义和参数值可以参考zhao,et al.,opt.lett.44,4203(2019)。
[0036]
fabonacci准周期磁光晶体结构层由磁光材料(a＝inas)和电介质平板(c＝sio2)按照序列排列(f3＝(c5a)6c)组成。磁光材料层a的厚度为h1＝1.1微米，电介质平板层b的厚度为h2＝0.61微米，金属反射镜3的厚度为0.2微米。
[0037]
表1给出了本发明的一系列实施例，η＝|α-e|表示最大非互易性。
[0038]
表1 tm偏振光垂直入射时峰值波长处的吸收效率
[0039][0040]
图2是本发明要求范围内一个实施例在外加磁场3t，tm偏振光以30
°
角入射时器件的吸收和辐射随波长变化的曲线，由图2可见，当外加磁场为0时，吸收光谱和辐射光谱重叠，可以获得近乎理想的吸收/辐射峰(99.93％)。当外加磁场为3t时，吸收和辐射光谱显示
了蓝移，此外吸收和辐射光谱不再彼此重叠，表示违背了传统的基尔霍夫定律。
[0041]
图3是图2中实施例的非互易性随波长变化的曲线，从图3中可以看出，当外加磁场为3t，红外波段的光以30
°
角入射时，其在15.582微米处将产生最大的非互易峰值，其非互易性高于0.906。
[0042]
在制作本发明用于红外波段的基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，适当选择磁光材料和电介质平板的厚度，就可以得到具有强的非互易性的非互易热辐射器。
[0043]
本发明的基于fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，具有使用灵活方便、非互易性高等优点，是一种非常有实用价值的热辐射器件，利用镀膜工艺，可以大批量、低成本地生产，制作的热辐射器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
[0044]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0045]
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。