亚波长微纳结构的光子带隙与辐射特性机理研究

Subwavelength micro/nanostructures with photonic band gaps can achieve an in-depth and flexible control of thermal radiation transport, which are of both scientific and practical significance in exploring next-generation micro/nanoscale thermal radiation control devices. However, a systematic investigation of the mode coupling mechanism (MCM) in subwavelength photonic band gap micro/nanostructures is still missing, which is critical to the photonic band gaps and radiative properties. A radiative property model considering the MCM is still not available, which hinders the active design and manipulation of the band gaps and radiative properties. An experimental investigation of the MCM is also lacking. Therefore, based on electromagnetic wave theory, this project will carry out a systematic study on the MCM in subwavelength photonic band gap micro/nanostructures, and establish a theoretical model of radiative properties. Moreover, a comprehensive experimental study will be conducted to examine the role of MCM. On the basis of theoretical and experimental studies, this project will design subwavelength photonic band gap micro/nanostructures with specific spatial arrangements of structure units, in order to achieve an active control of the MCM and thus radiative properties. Afterwards, a high-performance device composed of subwavelength micro/nanostructures with two photonic band gaps will be designed and experimentally characterized.

具有光子带隙的亚波长微纳结构可以实现对辐射传输的深入、灵活的调节和操控，在构建新型微纳尺度热辐射调控器件方面具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。然而，目前对于亚波长微纳结构中关键的模态耦合机制的研究甚为不足，缺乏关于模态耦合机制对光子带隙影响机理的深入、系统的研究，也缺乏基于模态耦合机制的辐射特性理论模型，无法为亚波长微纳结构中光子带隙与辐射特性的主动设计与调控提供理论支撑，实验方面也缺乏对模态耦合机制的直接揭示。因此，本课题将从电磁波理论出发，对亚波长微纳结构中模态耦合机制进行系统探究，揭示模态耦合机制对其中光子带隙的影响机理，建立基于模态耦合机制的辐射特性理论模型，并进行实验研究。在此基础上，本课题将基于模态耦合机制及相应的辐射特性模型，通过设计特定的周期性排布方式的亚波长微纳结构，对光子带隙与辐射特性进行主动调控，实现高性能的亚波长微纳结构热辐射调控器件。

具有光子带隙的亚波长微纳结构可以实现对辐射传输的深入、灵活的调节和操控，在构建新型微纳尺度热辐射调控器件方面具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。然而，目前对其中关键的模态耦合机制研究甚为不足。为解决该问题，理论方面，本课题从电磁波理论出发，建立了考虑亚波长微纳结构中单元之间的相互作用模型，分析了不同排布方式与结构参数下各类电磁模态之间耦合机理；在此基础上，对光子能带进行理论分析，探究模态耦合机制对光子带隙的影响机理；得出了亚波长微纳结构的辐射特性与结构参数及空间排布方式之间的关系，建立了考虑模态耦合机制的辐射特性理论模型。实验方面，本课题设计了基于模态耦合机理的亚波长微纳结构，包括亚波长硅碟一维链状结构、亚波长硅光子带隙结构、二维超表面结构，并采用先进微纳加工手段对其进行制备。采用显微红外傅里叶光谱系统对所加工的亚波长微纳结构的远场辐射特性进行实验研究，测量其在不同入射角度的波谱反射率与透射率，对模态分布与能带结构进行细致表征，从实验的角度揭示了模态耦合机制对光子带隙及辐射特性的影响机理；采用散射型近场光学显微镜对近场条件下零极模态、周期性波导模式、带隙中的拓扑边界态等进行了直接观测，更直观地揭示近场模态激发与耦合机理。在机理研究的基础上，本项目对亚波长微纳结构中模态耦合机制及光子带隙进行主动设计，实现对辐射特性进行主动调控。围绕不同应用背景，实现了若干热辐射调控器件：提出了由掺杂硅微球组成的一维链状结构，实现了宽谱可调的一维光子带隙与拓扑保护等离激元态；设计制备了一维及二维亚波长光子带隙结构，通过调制结构参数，使得光子带隙位置能够灵活匹配窄带光伏带隙，实现了用于高效热光伏能量转换的选择性辐射器；基于堆叠的MIM结构及一维非周期结构形成的双光学共振模式间光学共振模式间的模态耦合效应，设计制备了具有太阳光高反射能力的成色光子结构，实现了高饱和度成色的日间辐射制冷。