CN116774333B - 宽光谱非对称角度选择性热辐射器件及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件及应用，辐射器件包括多个宽度在50微米以上的非对称单元，非对称单元采用红外吸收材料，每个非对称单元包括反射面和辐射面，反射面上设置有红外反射层，该辐射器件可应用在辐射制冷、辐射加热和辐射推进等多个领域。本发明通过指定角度或角度范围调控辐射，可以实现红外波段宽光谱的角度非对称定向热辐射，从而实现热探测、热成像和能源设备的高热辐射效率，并且可以调整非对称单元的几何结构，增强特定角度的红外辐射，实现特定角度的定向热辐射功能，提高了辐射角度的灵活性，使其具有更好的普适性。
Description
技术领域
本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件及应用。
背景技术
热辐射本质上是宽带、非相干、无方向性的，任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量。定向热辐射可以提高能量传递效率，减少不需要的方向上的能量损失。在热成像和传感、近场传热、辐射制冷、红外加密、辐射控温等领域有重要的应用前景
目前利用周期光栅、梯度ENZ材料，多层膜等结构可以实现调控热辐射的时间和空间相干性，但以上设计的发射率在空间上是对称分布的，辐射缺乏方向性。也有部分设计是通过打破结构对称性，产生非对称的热辐射，但现有设计均受限于窄带或窄角或偏振依赖。目前存在通过微纳结构实现定向辐射的设计，但由于结构尺寸相较于辐射波长较小，导致热辐射的发出方式受到限制，由于驻波效应会选择性地增强或削弱特定偏振态的辐射，致使该类尺寸较小的器件会出现严重的偏振依赖问题。而为了最大化能量传递效率，定向热辐射器件需要同时具有宽带和非偏振的特点。
因此，偏振无关的宽光谱角度选择性非对称热辐射器件，对于实现红外波段的定向辐射是十分重要的。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件及应用，以解决现有辐射器存在的带宽窄、调节角度窄、对称热辐射、偏振依赖等问题。
本发明提供的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，包括：多个非对称单元，每个非对称单元包括反射面、辐射面和底面，反射面上设置有红外反射层，底面的宽度大于或等于50微米；
辐射面与底面的夹角α，反射面与底面的夹角β，通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度调控范围为－90°至90°。
优选的，α＞β，非对称单元对不同入射角的入射波具有不同作用：
当入射角θ≤－β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用；
当入射角－β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用；
当入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起吸收作用；
其中，底面的法线方向为0°，反射面方向为负值区，辐射面方向为正值区；
通过调整反射面与底面的夹角β，改变反射区、过渡区和吸收区的范围。
优选的，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β均相同，且满足0.1≤tanβ≤10。
优选的，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β依次递增或递减。
优选的，红外吸收材料的红外发射波段为4-20微米，其发射率大于或等于0.5。
优选的，红外反射层的红外反射率大于60%。
优选的，红外吸收材料为树脂，红外反射层为银膜。
优选的，反射面和/或辐射面为自由曲面。
一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的应用，将宽光谱非对称角度选择性热辐射器件用于辐射制冷。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明通过调整非对称单元的反射面与底面的夹角β以及辐射面与底面的夹角α，可以实现发射率在空间上不同角度范围内的非对称的分布；可根据实际需要实现在指定角度下增加红外辐射，实现特定角度的红外辐射功能；并且将非对称单元的宽度设置为不小于50微米，有效避免了偏振依赖的问题。
本发明还提出了一种非对称单元的角度递增或递减的设计，该设计可以满足不同应用情景下，不同区域所需辐射角度范围存在差异的问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的结构图；
图2是根据本发明实施例提供的反射区、过渡区和吸收区的示意图；
图3是根据本发明实施例提供的仿真实验1~8针对相同底面宽度的热辐射器件的发射率随入射角变化图；
图4是根据本发明实施例提供的TE偏振模式下发射率随底面宽度的变化图；
图5是根据本发明实施例提供的TM偏振模式下发射率随底面宽度的变化图；
图6是根据本发明实施例提供的针对辐射方向的仿真实验获得的发射率半球分布图；
图7是根据本发明实施例提供的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的实物图；
图8是根据本发明实施例提供的在高宽比例系数为2:3、宽度W=1mm、入射波的波长λ=4-20微米条件下，宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的发射率随角度及波长变化的仿真计算图；
图9是根据本发明实施例提供的β角依次递增的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的结构图；
图10是根据本发明实施例提供β角依次递增的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的具体应用效果图。
其中的附图标记包括：
反射面1、辐射面2、底面3。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，包括多个结构相同、用红外吸收材料作为基底的非对称单元，红外吸收材料的红外发射波段为4-20微米，其发射率大于或等于0.5。此外，也可以采用递增或递减变化的非对称单元。每个非对称单元均包括反射面1、辐射面2和底面3，整体呈现为三角形，并且反射面1上镀有红外反射率大于60%的红外反射层。定义辐射面2与底面3的夹角为α，反射1面与底面3的夹角为β。为了实现定向辐射，并且克服偏振依赖，要求非对称单元的α≠β，优选α＞β，底面3的宽度大于或等于50微米。基于以上结构，可以通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度为－90°至90°。
作为一种优选的实施例，多个非对称单元的辐射面2与底面3的夹角α均为90°，反射面1与底面2的夹角β均相同，且满足0.1≤tanβ≤10，此时非对称单元呈现为直角三角形，用H表示非对称单元的高度，即辐射面2的长度；W表示非对称单元3的宽度，即底面3的长度；r表示非对称单元的高度H与宽度W的比值。
基底的红外吸收材料为树脂，具体为PDMS溶液，基底通过注塑工艺制备，具体将PDMS溶液倒入四周封闭且具备周期性直角三角形逆向结构的模具中，在75℃条件下进行加热定型，冷却固化后进行脱模，获得具备周期性直角三角形结构的红外吸收材料基底。在基底的斜面（即反射面）上采用磁控溅射或热蒸发形成50nm-500nm的银膜作为红外反射层，为保证银膜质量及与PDMS基底的粘附性，可预先形成2-10nm的铬膜作为粘附层，经测试后综合考虑银膜厚度优选为100nm-200nm。
如图2所示，以直角三角形的非对称单元为例，说明非对称单元对不同入射角的入射波具有的不同作用：
首先定义底面3的法线方向为0°，靠近反射面1方向为负值区，靠近辐射面2方向为正值区，入射波的入射角为θ。
当入射波的入射角θ≤－β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用，基于反射定律，所有入射波均会被反射出去；
当入射波的入射角－β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用，一部分入射波会入射在反射面1靠近顶部的位置，该部分入射波会被反射出去；另一部分入射波会入射在反射面1靠近底部的位置，该部分入射波被会被反射面1反射后打在辐射面2上，该部分入射波会被辐射面2吸收；
当入射波的入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起完全吸收作用，入射波一部分直接入射到辐射面2上，另一部分入射在反射面1，经反射后入射到辐射面2上。
基于以上原理分析可知，可通过调整反射面1与底面3的夹角β（即非对称单元的高宽比），改变反射区、过渡区和吸收区的范围。为验证上述效果，进行了多组仿真实验，并给出下述8组仿真实验数据进行证明：
实验1：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为0.2；
实验2：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为0.4；
实验3：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为0.6；
实验4：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为0.8；
实验5：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为1.0；
实验6：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为1.2；
实验7：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为1.4；
实验8：底面3的宽度为1mm，高宽比例系数为1.6。
如图3所示，当非对称单元的高度宽度比例系数发生变化时，发射率会随入射角θ发生变化，上述8组实验中入射波的波长均为8μm，可以看到当非对称单元的高度宽度比例系数在实验1到8变化时，发射率随角度也产生变化，当非对称单元的高度宽度比例系数为1.6时(实验8)，器件发射率从-60°的角度开始出现发射率的显著提升，当角度为-30°时，发射率接近1，而后均表现出高发射率；但当非对称单元的高度宽度比例系数为0.2时（实验1），可以看到器件发射率得到了大幅的压制，从接近0°角度位置时，器件发射率才逐渐上升，直到60°时，发射率才接近1，从60°到90°范围内保持发射率为1，由此可见，可以通过调节非对称单元的高宽比来调整器件的发射率随角度变化的相关特性。非对称单元的高宽比可以通过固定宽度W调节高度H的方式，也可以通过固定高度H调整宽度W，同时调整高度H和宽度W。
此外，本发明实施例为解决现有技术中存在的偏振依赖问题，还研究了底面3的宽度问题，通过固定非对称单元的高度宽度比例系数，同时调整高度H和宽度W，进行了多组仿真实验，并给出了不同偏振模式下，结构尺寸对非对称辐射的影响。
如图4和图5所示，固定非对称单元的高宽比为2:3时，当宽度从2μm到1000μm逐渐增加时，发射率角度分布及数值大小随之发生变化，当宽度小于5μm时，TE偏振模式下发射率处于接近0的状态，而TM偏振处于较高发射率状态，且此时发射率在角度上的分布仍是对称的。当宽度从5μm到50μm逐渐上升，可以看到两种偏振模式下逐渐表现出非对称的发射率分布。TE偏振模式下有更多的发射率尖峰，且发射率尖峰的峰值也逐渐升高，这意味着宽度增加导致非对称单元对于特定波长范围的红外辐射具有更高的发射能力。证明红外辐射特性与非对称单元的尺寸之间有关，当宽度W超过50微米后，红外辐射性能稳定，两种偏振模式的发射率分布基本一致，此时已克服偏振依赖。
为验证宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的定向辐射性能，在高宽比例系数为2:3，宽度W=1mm，入射波的波长λ=8微米条件下，进行辐射方向的仿真实验。如图6所示，以看到在器件半球辐射区域内一半的区域为高发射率，即高辐射，另外一半为低发射率，即高反射，实现了宽光谱非对称的定向热辐射。
如图7所示，依据上述内容，制备获得了宽光谱非对称角度选择性热辐射器件。对不同入射角的入射波，该器件会展现不同的反射特性，通过仿真计算，可以发现器件的发射率随角度和波长出现了如图8所示的发射率变化。
此外，反射面1和/或辐射面2还可以为自由曲面，例如：当反射面1为凸起或者凹陷的弧面时，此时β角则应是入射波与反射面1相交点处的弧面切线斜率，此时也可实现定向辐射，但辐射范围和角度会有所变化，基本原理并未发生改变；当辐射面2为凹陷的弧面时，与平面时情况基本一致，当辐射面2为凸起的弧面时，在平面状态下处于过渡区的一部分光原本会被射出去，但在弧面状态下其中的一部分会被辐射面2遮挡吸收，其基本原理仍未发生改变。
此外，如图9所示，非对称单元的反射面1与底面3的夹角β可能出现依次递增或递减，此时每个或每组非对称单元的β均不相同，可以对不同角度的入射波实现同向辐射，或者对相同角度的入射波实现不同角度的辐射，该设计较为贴近实际生产需求，如图10所示，如建筑物外墙的辐射制冷应用中，可根据周围建筑物遮挡情况，设计β渐变的非对称单元，以满足建筑物不同区域具有不同的辐射角度范围需求。
本发明提出的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件可应用在辐射制冷、辐射加热或辐射推进等领域，并且具有较好的应用前景。具体的通过调节辐射器的辐射角度范围，可以实现对特定物体或区域的倾斜面或竖直面实现冷却效果，该技术可应用在建筑外墙、汽车等具有制冷需求的场景；通过控制辐射器的辐射角度范围，可以将热量精确地传递到需要加热的目标物体上，使物体升温实现快速、高效的加热过程，该技术可应用在工业、医疗和实验室等领域中；将宽光谱非对称角度选择性热辐射器件作为辐射源，产生高能量的辐射，以实现推进效果，该技术可应用在太阳帆和光子推进器等航天器推进系统中。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，包括多个用红外吸收材料作为基底的非对称单元，每个非对称单元包括反射面、辐射面和底面，反射面上设置有红外反射层，底面的宽度大于或等于50微米；
辐射面与底面的夹角α，反射面与底面的夹角β，通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度可调范围为－90°至90°；
多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β依次递增或递减。
2.如权利要求1所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，α+β≥90°，非对称单元对不同入射角的入射波具有不同作用：
当入射角θ≤－β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用；
当入射角－β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用；
当入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起吸收作用；
其中，底面的法线方向为0°，反射面方向为负值区，辐射面方向为正值区；
通过调整反射面与底面的夹角β，改变反射区、过渡区和吸收区的范围。
3.如权利要求1所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，红外吸收材料的红外发射波段为4-20微米，其发射率大于或等于0.5。
4.如权利要求3所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，红外反射层的红外反射率大于60%。
5.如权利要求1所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，红外吸收材料为树脂，红外反射层为银膜。
6.如权利要求1所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件，其特征在于，反射面和/或辐射面为自由曲面。
7.一种宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的应用，其特征在于，将如权利要求1至6任意一项所述的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件用于辐射制冷、辐射加热或辐射推进。
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