熱輻射本質(zhì)上是寬帶和非相干的電磁波，這限制了其在輻射冷卻，熱偽裝和熱光伏等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，許多研究工作已通過(guò)各種微納米結(jié)構(gòu)來(lái)控制熱輻射的方向和光譜特性。然而，與激光等高度定向的光源相比，現(xiàn)有的熱發(fā)射器在方向調(diào)控方面還有很大的研究空間。為此，上海交通大學(xué)趙長(zhǎng)穎團(tuán)隊(duì)通過(guò)串聯(lián)角度選擇性濾波器和光譜選擇性發(fā)射器，設(shè)計(jì)了一種對(duì)熱輻射方向和光譜特性獨(dú)立調(diào)控的窄帶高定向熱輻射器。通過(guò)非支配排序遺傳算法-II（NSGA-II）優(yōu)化，僅由7層薄膜組成的窄帶高定向熱輻射器可具有高達(dá)0.97的最大發(fā)射率，其高發(fā)射角度展寬小于20°，光譜展寬小于0.025 μm。該研究為設(shè)計(jì)窄帶和定向熱發(fā)射器提供了一條簡(jiǎn)單有效的途徑，在紅外光源、輻射探測(cè)和熱光電轉(zhuǎn)換的余熱利用等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以Independent Control of Spectral and Directional Emissivity with Multilayer Structures為題發(fā)表在Advanced Optical Materials期刊。
本文從熱輻射光譜與方向獨(dú)立調(diào)控的需求出發(fā)，總結(jié)了目前定向熱輻射器的研究工作（圖1a），并提出串聯(lián)角度選擇濾波器和光譜選擇發(fā)射器的設(shè)計(jì)概念（圖1b）。通過(guò)研究分布式布拉格反射器（DBR）和金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的光譜與方向調(diào)控能力（圖2），本文提出了一種理想的窄帶高定向發(fā)射多層結(jié)構(gòu)（圖3），并分析了介質(zhì)層厚度與折射率對(duì)發(fā)射特性的影響。利用NSGA-II算法簡(jiǎn)化理想DBR的材料與厚度，本文最終設(shè)計(jì)了一種僅由7層薄膜組成的p偏振窄帶高定向熱輻射器，在1.39 μm和66.5°的光譜位置表現(xiàn)出高發(fā)射特性，角度展寬小于20°，光譜展寬小于0.025 μm（圖4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）與理論計(jì)算十分吻合，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)具有良好的窄帶高定向發(fā)射特性。誤差分析表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的共振波長(zhǎng)藍(lán)移是因?yàn)榻橘|(zhì)層厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)值（圖6a），角度偏移是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中棱鏡和匹配液體折射率與理論計(jì)算值存在差異（圖6b），而角度展寬的變化是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作引起的金屬折射率虛部增大（圖6c）。
圖1.（a）現(xiàn)有定向熱輻射工作。（b）設(shè)計(jì)概念。
圖2.（a）材料的折射率。（b）分布式布拉格反射器的能帶圖。金屬-介質(zhì)-金屬的（c）角分辨光譜和（d）諧振波長(zhǎng)處的電磁場(chǎng)分布。
圖3. 理想的窄帶定向發(fā)射多層結(jié)構(gòu)（a）示意圖，（b）p偏振發(fā)射率和（c ? h）具有不同材料、厚度等p偏振發(fā)射率。
圖4. 簡(jiǎn)化的窄帶定向發(fā)射多層結(jié)構(gòu)（a）示意圖，（b）p偏振發(fā)射率和（c ? e）色散關(guān)系。
圖5. 樣品和實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)量。（a）樣品的SEM圖。（b）光譜測(cè)量裝置的示意圖。（c）實(shí)驗(yàn)測(cè)量的p偏振發(fā)射率。（d）模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)射率的對(duì)比。
圖6.（a）介質(zhì)層厚度對(duì)諧振波長(zhǎng)的影響。（b）環(huán)境折射率對(duì)諧振波長(zhǎng)和布魯斯特角的影響。（c）金屬折射率虛部對(duì)光譜和角度展寬的影響。
小結(jié)：綜上所述，本文利用DBR的布魯斯特效應(yīng)和金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的腔諧振，提出了一種窄帶定向熱輻射器，實(shí)現(xiàn)了熱輻射光譜和方向特性的獨(dú)立調(diào)控，其發(fā)射峰可由材料、厚度和環(huán)境匹配條件的選擇進(jìn)行調(diào)整。本文還通過(guò)NSGA-II算法，將多層的窄帶定向熱輻射器優(yōu)化至七層，其高發(fā)射角度展寬小于20°，光譜展寬小于0.025 μm，最大發(fā)射率為0.97，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。所設(shè)計(jì)的熱輻射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，峰值發(fā)射率高，且可被應(yīng)用于可見光和紅外波段，滿足特定的應(yīng)用場(chǎng)景。本研究為窄帶和定向熱輻射器的未來(lái)設(shè)計(jì)和利用提供了一條簡(jiǎn)單有效的途徑，在輻射檢測(cè)、氣體傳感器和熱光伏系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
論文信息：Yu W, Wang B, Gong Z, et al. Independent control of spectral and directional emissivity with multilayer structures[J]. Advanced Optical Materials, 2403086.
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