飞秒激光制备微纳米周期结构的热辐射特性研究

发布时间：2017-12-22 16:11

本文关键词：飞秒激光制备微纳米周期结构的热辐射特性研究　出处：《北京工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当光的波长与结构的周期相近时,会有新奇的光学现象发生。根据大自然中结构色的启示,利用表面周期性结构进行光的操控一直是热门的研究方向,这种操控不仅仅局限于可见光波段,对于红外波段的热辐射同样可以实现利用表面结构的操控。已有相关的研究表明,利用表面微纳米结构对热辐射进行操控在热光伏器件、辐射散热器件等领域具有广阔的应用前景。传统的研究大多局限在实验室内,这是因为常用的例如光刻等微加工技术虽然可以取得很好的加工效果,但是具有对环境要求高、工艺复杂、对加工材料具有选择性、难以大面积制造等缺点。而飞秒激光微加工技术的出现为解决这一问题提供了一条新的思路。研究利用飞秒激光制备微纳米周期结构及其热辐射特性将有助于开拓更多的加工手段用于热辐射控制相关器件的应用,同样也开拓了飞秒激光微加工的应用领域。本文主要针对飞秒激光加工制备微纳米周期结构及其热辐射特性进行研究。以表面等离子体激元共振为理论基础,以严格耦合波分析方法为模拟工具,以飞秒激光加工为实验手段,利用傅里叶变换红外光谱仪进行材料热辐射光谱的测量。本文的研究内容及结论如下:1.利用飞秒激光斜入射到金属钨靶上进行亚波长光栅结构的制备,获得了光栅周期为349~620 nm的亚波长光栅结构。研究了利用飞秒激光直写加工微米级周期结构的实验效果,测量了在飞秒激光不同平均功率下所制备的周期结构沟槽宽度与平均功率的关系。为下一步制备光栅结构提供实验依据。2.通过严格耦合波分析模拟计算了周期为10μm、占空比为0.5的微纳米光栅结构的深度对反射率的影响,模拟结果显示,当光栅深度为1μm时,以TM波入射会产生吸收增强现象。模拟了深度为1μm,占空比为0.5的微纳米光栅结构的周期对反射率的影响,结果显示,以TM入射时,会有中心波长与光栅周期相近的吸收增强峰出现。结合基尔霍夫热辐射定律,此模拟结果可以推广到材料的发射增强现象。3.通过在金属镍、金属铬、钛合金上制备一维微纳米光栅结构,在不同光栅周期、不同观察角度、不同温度下进行研究。实验结果显示,利用光栅结构,可以实现从35%~84%的热辐射强度增强;微纳米光栅结构的周期与热辐射增强峰的中心波长相近;利用微纳米光栅结构进行热辐射增强在300摄氏度以下时具有热稳定性,即增强峰的中心波长不随温度变化而变化;以一定倾角观察热辐射增强峰的波长,随着角度的增大,增强峰的波长在减小,提出了将光栅投影到正入射平面上的方法来计算增强峰的波长,经验公式与实验数据符合较好。通过双周期一维光栅结构的热辐射增强谱发现,在具有多个光栅周期的一维光栅结构中,各周期结构的热辐射增强效果是各自独立的。4.单周期同心矩形结构可以获得与一维光栅结构一样的热辐射增强峰,由于具有平行及垂直两个方向的光栅结构与表面等离子体激元共振增强热辐射,利用红外热成像仪及红外偏振片可以清晰分辨出不同光学结构对热辐射增强的图像。双周期同心矩形结构由于具有10μm及15μm两种光栅结构,在利用偏振片设置偏振方向为平行或垂直时,可以分别获得10μm光栅结构的热辐射光谱及15μm光栅结构的热辐射光谱,而未放置偏振片时的热辐射光谱是这两个光谱共同组成。研究单周期同心圆环结构的热辐射光谱,测量了不同偏振角下的热辐射增强峰,从实验中可以发现,同心圆环结构可以提供类似于自然光的均匀偏振方向的热辐射增强效果。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249

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