微纳多孔介质中相干散射和各向异性热辐射机理及其调控机制

Thermal radiation in micro/nano porous media is very complex. When the pore size is comparable to the wavelength, the dependent scattering should be considered. Also if the pores are not spherical, the anisotropic radiation properties and transport will be significant. This research proposal aims to theoretically and experimentally investigate the dependent scattering and anisotropic effects on the thermal radiation properties (scattering, absorption, phase function) in micro/nano porous media and coatings. To reveal the complicated dependent scattering and anisotropic transport mechanism, a rigorous derivation based on the Maxwell electro-magnetic theory is carried out to obtain the dependent scattering formulations in terms of the micro/nanostructures of porous media. Also the anisotropic property and its coherence with dependent scattering are derived based on the Foldy-Lax equations. Apart from the theoretical study, an experimental measurement method is designed to measure the polarization, through which the dependent scattering intensity and anisotropic property can be obtained. Thus the theoretical predictions can be compared with the experimental results. Finally the validated and improved models are used to actively design and optimize the porous micro/nanostructures to achieve the required thermal radiation properties.

多孔介质微纳结构对辐射传输的作用机理非常复杂，尤其对影响其辐射特性的相干散射和各向异性机制的理论和实验研究明显不足，无法为现代微纳多孔介质辐射特性的设计和调控提供足够技术支撑。本研究将从电磁波理论出发，揭示辐射与微纳结构的复杂作用机理，深入研究多孔介质中热辐射传输中的相干散射和各向异性机理及其相互耦合机制，发展考虑相干散射近场效应和各向异性的辐射特性和辐射传输模型。本课题并对微纳多孔介质中的相干散射和各向异性机理进行实验测量和研究，从辐射的极化特性角度揭示相干散射和各向异性对热辐射特性的影响。在建立有效分析相干散射和各向异性机理的基础上，将对多孔介质的辐射特性从微纳尺度上进行主动设计和优化，实现对热辐射特性参数的目标选择性优化和辐射能流传输方向的主动调控。

多孔微纳结构对辐射传输的作用机理非常复杂，当前对影响其辐射特的相干散射和各向异性机制的理论和实验研究明显不足，难以为微纳结构辐射特性的设计和调控提供足够技术支撑。本研究从电磁波理论出发，揭示了辐射与微纳结构的复杂作用机理，深入研究了多孔介质中的相干散射和各向异性效应及其相互耦合机制，发展并完善了考虑相干散射和各向异性的辐射特性求解模型及辐射传输模型，以及两者之间的复杂耦合关系，同时对相干散射和各向异性效应进行实验测量和定量分析推导，从辐射传输的偏振特性角度揭示微纳结构与辐射之间的作用机理。基于上述机理，本项目围绕实际应用背景，详细分析了相干散射和各向异性机制对辐射特性的影响，包括散射系数、散射各向异性因子、辐射定向性、偏振特性、近场热辐射传输特性、光热转换性能等，并通过设计实验搭建偏振测试平台对各向异性辐射特性进行了测试，结果与理论预测相吻合。进一步，在上述基础上深入探索了这些机制对辐射特性的调控机理，对微纳多孔介质的辐射特性进行了主动调控与设计，设计了一系列超材料器件，包括微纳偏振元件、热辐射高效吸收/发射器件、近场能量输运器件，非互易热辐射器件等，可实现辐射特性、能流传输方向、光热转换及近场热辐射传输的主动调控。本项目的研究成果对完善微纳热辐射理论，深度调控微纳热辐射特性以及设计新型微纳热辐射能源器件具有重要的理论和应用价值。