CN110737034A - 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 - Google Patents
一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110737034A CN110737034A CN201910972455.2A CN201910972455A CN110737034A CN 110737034 A CN110737034 A CN 110737034A CN 201910972455 A CN201910972455 A CN 201910972455A CN 110737034 A CN110737034 A CN 110737034A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wave
- infrared
- absorption
- metal
- medium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title abstract description 13
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 title abstract description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 26
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 9
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003863 physical function Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/003—Light absorbing elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/22—Absorbing filters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
Abstract
本发明属于红外人工电磁超材料和辐射制冷领域，更具体的涉及一种调控特定波段红外宽带吸波结构及其设计方法。本发明利用金属薄膜底层结构来阻挡透射，利用阻抗匹配来减少反射，通过锯齿状多层双介质周期结构来实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的强吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。由下至上为金属底板和多层锯齿状双介质结构组成的基本单元，金属底板由金属薄膜组成，双介质结构上层介质为金属薄膜，下层介质为Ge、P等半导体薄膜，该基本单元在x‑y二维平面上周期性展开。本发明可提高大气窗口材料的吸波能力，非大气窗口材料的反射能力，提高材料的辐射制冷能力，满足节能环保的需求。
Description
技术领域
本发明属于红外人工电磁超材料及辐射制冷领域，涉及一种调控用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法。
背景技术
超材料是由人工构建的基本“单元”组成的亚波长结构的复合材料体，可以超越自然界材料本征参数的限制，实现自然材料所不具有的物理特性和功能，这些被人工结构改性过的材料被统称为“超材料”。超材料的宏观物质特性由它的结构决定而不是由材料本征特性决定，所以超材料的诞生为材料界引入一个全新的设计理念，改变了以往自然界中有何种材料制造出何种物件的惯例，开创了逆向设计的方法，即针对电磁波的应用需求制造出相应功能的材料，在材料科学领域具有重大历史意义。
基尔霍夫定律表明，在热平衡条件下，任何物体的辐射出射度和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度下黑体的辐射出射度，物体的黑度即发射率与该物体在相同温度下的吸收率相等，物体吸收辐射的本领越大，其发射辐射的本领也越大。因此，一个好的吸收体也是一个好的发射体。
红外吸收器可以通过大气的红外透明窗口向冰冷的外太空辐射能量，从而实现被动辐射制冷。大气的红外透明窗口从3到5μm,和8到13μm.具有这种光谱选择性吸收的红外吸收器也可以用作成像和探测器，具有背景噪声低的优势。因此，拓宽吸收器的选择频带去覆盖大气的两个主要透明窗口，对推进吸收器在辐射制冷领域的应用具有重要意义。
现有辐射制冷材料存在带宽不宽，吸收率不强，辐射制冷效果欠佳等缺陷。
发明内容
本发明针对上述技术问题提供一种用于辐射制冷的宽频吸波超材料及其设计方法，能够使吸波超材料在特定波段具有宽带强吸收，同时其他波段高反射。
为了实现这个目的，我们设计了一种宽频带超材料吸收器，实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。
红外可选波段超材料吸收体由周期性单元结构组成，每个单元由下至上为金属底板和金字塔形多层双薄膜，多层双薄膜由半导体介质层材料和金属薄膜交互堆叠而成。
基本单元结构在x-y平面周期性展开，周期为0.5～5μm。
金属底板由金属薄膜组成，如金银铜铝等，厚度大于红外波段电磁波在金属中的趋肤深度，大于50nm。
多层双薄膜结构中上层介质为金属薄膜，厚度为10nm～100nm，下层介质为Ge、P等半导体薄膜，厚度为10～100nm，双介质结构的层数为13～30。
双介质结构被刻蚀为金字塔形，在x-z平面的截图为梯形，梯形最上层宽度为0.2μm～4μm，梯形最下层宽度为0.3μm～4.5μm。
利用金属薄膜底层结构来阻挡透射，利用阻抗匹配来减少反射，通过锯齿状多层双介质周期结构来实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。
根据吸收A＝1-透射T-反射R，为了减少透射，在最底层加一层金属底板，该底板由金属薄膜组成，厚度大于红外波段的穿透深度，使得透射T＝0；为了减少大气窗口的反射，要使此波段内该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗Z匹配，非大气窗口该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗不匹配：
步骤(1)采用时域差分方法来进行数值仿真，入射光为平面波，沿-z方向入射，模式为横电场TE极化波，由于吸波材料在垂直光传播方向上的对称性，采用横电磁场TM极化波来验证结果，与TE结果一致；
步骤(2)扫描参数或者利用遗传算法、粒子群算法找到在大气窗口3μm～5μm和8μm～13μm吸波材料的吸收大于90％的参数；
步骤(3)扫描参数，观察吸波材料在3μm～5μm和8μm～13μm的吸收，其他波段的反射，找到吸收最强的曲线和对应的结构参数。
步骤(4)计算光不同入射角度时吸波材料在3μm～5μm和8μm～13μm的吸收，其他波段的反射，找到吸收最强且对入射角度不敏感的结构参数。
附图说明
图1为吸波结构一个周期单元的示意图。
图2为吸波结构示意图。
图3为实施例1的红外吸收反射透射图。
图4为实施例2的红外吸收反射透射图。
具体实施方式
红外可选波段超材料吸收体由周期性单元结构组成，如图1所示，图1为所设计的吸收体一个周期单元在x-z平面的横截图，每个单元由下至上为金属底板3和多层双薄膜，多层双薄膜由介质层材料1和金属薄膜2交互堆叠而成。
图2为所设计的吸收体的3D俯视图，可以看出该基本单元类似金字塔结构。该基本单元在x-y二维平面上周期性展开。
实施例1，该基本单元在x-y二维平面上周期性展开，周期单元在x-y平面的周期为2.4μm。
图2中金属底板3为金，厚度为100nm。
图2中双薄膜结构中上层介质2为金，厚度为25nm，下层介质1为Ge薄膜，厚度为55nm，多层双介质结构的层数为16。
所设计吸收体在x-z横截面为梯形，梯形的最底层的宽度都为1.84μm，最上层的宽度为0.8μm。
图3为实施例1的红外吸收反射透射图，在3.3～5.1μm中波红外和6.8～15.3μm远波红外具有50％以上的吸收。
实施例2，该基本单元在x-y二维平面上周期性展开，周期单元在x-y平面的周期为3μm。金属底板3为银，厚度为100nm。
双薄膜结构中上层介质为金属薄膜金2，厚度为25nm，下层介质1为P薄膜，厚度为45nm，多层双介质结构的层数为20。
所设计吸收体在x-z横截面为梯形，梯形的最底层的宽度都为1.84μm，最上层的宽度为0.7μm。
图4为实施例2的红外吸收反射透射图，在3.8～6μm中波红外和7.1～18μm远波红外具有50％以上的吸收。
Claims (5)
1.一种大气窗口红外宽带吸波超材料及其设计方法，其特征在于，由下至上为金属底板和多层锯齿状双介质结构组成的基本单元，该基本单元在x-y二维平面上周期性展开：
所述金属底板由金属薄膜组成，厚度大于红外波段电磁波在金属中的趋肤深度，至少大于50nm；双介质结构中上层介质为金属薄膜，厚度为10nm～100nm，下层介质为Ge、P等半导体薄膜，厚度为10～100nm，双介质结构的层数为13～50，双介质结构基本单元的宽度和长度为1μm～3μm。
2.如权利要求1所述处于大气窗口红外宽带吸波超材料，其特征在于：所述金属底板材料可为金属金、银、铜、铝等。
3.如权利要求1所述处于大气窗口红外宽带吸波超材料，其特征在于：基本单元结构在x-y平面周期性展开，周期为0.5～5μm，双介质结构被刻蚀为金字塔形，在x-z平面的截图为梯形，梯形最上层宽度为0.2μm～4μm，梯形最下层宽度为0.3μm～4.5μm。
4.如权利要求1所述处于大气窗口红外宽带吸波超材料，其特征在于：利用金属薄膜底层结构来阻挡透射，利用阻抗匹配来减少反射，通过锯齿状多层双介质周期结构来实现大气窗口3～5μm近红外波段和8～13μm中波红外电磁波的吸收，同时非大气窗口其他波段高反射。
5.如权利要求1所述处于大气窗口红外宽带吸波超材料，其设计方法具体如下：根据吸收A＝1-透射T-反射R，为了减少透射，在最底层加一层金属底板，该底板由金属薄膜组成，厚度大于红外波段的穿透深度，使得透射T＝0；为了减少大气窗口的反射，要使此波段内该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗Z匹配，非大气窗口该结构的波阻抗Z与外界环境的波阻抗不匹配：
步骤(1)采用时域差分方法来进行数值仿真，入射光为平面波，沿着-z方向入射，模式为横电场TE极化波，由于吸波材料在垂直光传播方向上的对称性，采用横电磁场TM极化波来验证结果，与TE结果一致；
步骤(2)扫描参数或者利用遗传算法、粒子群算法找到在大气窗口3μm～5μm和8μm～13μm吸波材料的吸收大于90％的参数；
步骤(3)扫描参数，观察吸波材料在3μm～5μm和8μm～13μm的吸收，其他波段的反射，找到吸收最强的曲线和对应的结构参数；
步骤(4)计算光不同入射角度时吸波材料在3μm～5μm和8μm～13μm的吸收，其他波段的反射，找到吸收最强且对入射角度不敏感的结构参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910972455.2A CN110737034A (zh) | 2019-10-14 | 2019-10-14 | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910972455.2A CN110737034A (zh) | 2019-10-14 | 2019-10-14 | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110737034A true CN110737034A (zh) | 2020-01-31 |
Family
ID=69270021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910972455.2A Pending CN110737034A (zh) | 2019-10-14 | 2019-10-14 | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110737034A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112563759A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-26 | 合肥工业大学 | 一种双频超宽带超材料吸波单元及吸波体 |
| CN112698433A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 中国科学院微电子研究所 | 一种超材料红外吸收体及其制造方法 |
| CN113054442A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-06-29 | 西北工业大学 | 一种多尺度三维石墨烯-碳纳米管-镍基柔性电磁吸波复合材料制备及其超结构设计方法 |
| CN113314849A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-08-27 | 上海海事大学 | 一种超材料宽带吸波体周期单元及超材料宽带吸波体 |
| CN114114485A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 厦门大学 | 一种基于超构表面宽带吸收体的新型辐射制冷器件 |
| CN116774332A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-09-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 定向辐射器件在辐射制冷中的应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104779447A (zh) * | 2015-04-08 | 2015-07-15 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种宽频吸波器的结构与制备方法 |
| CN105652354A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-08 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器 |
| CN211826588U (zh) * | 2019-10-14 | 2020-10-30 | 上海海事大学 | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构 |
-
2019
- 2019-10-14 CN CN201910972455.2A patent/CN110737034A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104779447A (zh) * | 2015-04-08 | 2015-07-15 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种宽频吸波器的结构与制备方法 |
| CN105652354A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-08 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于锥形金属-电介质多层光栅结构的偏振无关宽带吸收器 |
| CN211826588U (zh) * | 2019-10-14 | 2020-10-30 | 上海海事大学 | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112563759A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-26 | 合肥工业大学 | 一种双频超宽带超材料吸波单元及吸波体 |
| CN112698433A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 中国科学院微电子研究所 | 一种超材料红外吸收体及其制造方法 |
| CN113054442A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-06-29 | 西北工业大学 | 一种多尺度三维石墨烯-碳纳米管-镍基柔性电磁吸波复合材料制备及其超结构设计方法 |
| CN113314849A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-08-27 | 上海海事大学 | 一种超材料宽带吸波体周期单元及超材料宽带吸波体 |
| CN114114485A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 厦门大学 | 一种基于超构表面宽带吸收体的新型辐射制冷器件 |
| CN116774332A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-09-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 定向辐射器件在辐射制冷中的应用 |
| CN116774332B (zh) * | 2023-08-24 | 2023-11-17 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 定向辐射器件在辐射制冷中的应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110737034A (zh) | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构及其设计方法 | |
| CN211826588U (zh) | 一种用于辐射制冷的红外宽带吸波结构 | |
| CN111367000B (zh) | 一种同时实现激光低反射、红外低辐射与微波高吸收的层状结构 | |
| US8488247B2 (en) | System, method and apparatus for modifying the visibility properties of an object | |
| US10871352B2 (en) | Metasurface device for cloaking and related applications | |
| KR102122090B1 (ko) | 이중 밴드 완전흡수 메타물질을 이용한 적외선 스텔스 소자 | |
| CN112622391A (zh) | 一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构 | |
| US20170108312A1 (en) | Electromagnetic cloaking and translation apparatus, methods, and systems | |
| Dang et al. | Optimization and preparation of a visible-infrared compatible stealth film based on D/M/D structure | |
| Chen et al. | Anisotropic glide-symmetric substrate-integrated-holey metasurface for a compressed ultrawideband Luneburg lens | |
| Huang et al. | Multiple working mechanism metasurface with high optical transparency, low infrared emissivity and microwave reflective reduction | |
| Qu et al. | Directional and spectral control of thermal emission and its application in radiative cooling and infrared light sources | |
| Liu et al. | Manipulation of acoustic wavefront by transmissive metasurface based on pentamode metamaterials | |
| CN109324361B (zh) | 一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法 | |
| Luo et al. | Optical transparent metamaterial structure for microwave–infrared-compatible camouflage based on indium tin oxide | |
| CN108718006B (zh) | 一种三波段拓扑超材料太赫兹吸波器 | |
| Shchelokova et al. | Experimental realization of invisibility cloaking | |
| Du et al. | Study of new solar film based on near-infrared shielding | |
| CN107402418B (zh) | 一种基于多层光栅结构红外宽带吸收体 | |
| CN112817073B (zh) | 一种基于无反射滤波器原理的红外吸波器 | |
| Xu et al. | A reflective-backing-free metamaterial absorber with broadband response | |
| Lerer et al. | Absorbing Two-Dimensionally Periodic Structures on New Plasmonic Materials | |
| CN211826580U (zh) | 一种在可见光高反及在中红外高吸的超材料选择性吸波体 | |
| Mattish et al. | Using homogeneous equivalent parameters in finite element models of curved metamaterial structures | |
| CN116680937B (zh) | 宽带定向热辐射方法及热辐射器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |