CN219657967U - 基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器 - Google Patents

Abstract

本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器属于微纳光电子技术领域；由多个可调控结构单元周期排列构成，太阳光以平面波形式入射，每个可调控结构单元由下到上依次为基底层、缓冲层和天线；基底层和缓冲层的形状为正方形，天线为三层圆筒结构；其结构简单，在3～5μm和8～14μm的大气窗口中，平均发射率分别约为0.20和0.18，在5～8μm的非大气窗口中的平均发射率约为0.80；且不受光源的偏振情况影响，在0°～60°入射角范围内都有较好的发射效果；GST的加入使热发射器不仅能够满足大气窗口低发射率与非大气窗口辐射散热的要求，且可以调谐红外发射率光谱，实现在红外“隐身”和“非隐身”状态之间切换。

Description

基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器

技术领域

本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器属于微纳光电子技术领域。

背景技术

超表面是一种由人工设计的周期排列的结构，因为其具有特殊的电磁特性、可调折射率、非对称传输等特点，常被用作制备高效电磁波热发射器。

现如今，随着红外探测技术的进步，红外隐身技术在现代军事战争中发挥着越来越重要的作用。红外隐身技术，是通过降低或改变目标的红外辐射特征来降低目标的可探测性。许多研究人员已经尝试由周期或者局部周期排列组成的超材料结构来实现红外隐身。所以如何高效实现红外隐身成为了一大研究课题。

对于红外隐身，根据Stefan-Boltzmann定律，单位热表面的辐射热能与表面的发射率ε及其绝对温度T的四次方成正比。温度控制是实现红外隐身的一种直接方法，但是它还需要额外的冷却和加热设备，对发射率进行调制是一种有效实现热隐身的方法。基于以上原理，在双波段大气窗口(3～5μm和8～14μm)中降低设备表面的红外特征可以避免被红外探测设备侦察，对实现隐身有着重要的意义。通过覆盖在物体表面的低发射率材料可以降低目标的红外特征，但也会妨碍其向周围辐射热量导致目标表面温度升高，最终降低了隐身性能。因此，理想的红外选择性热发射器，应该是在双波段大气窗口中具有低发射率，在非大气窗口(5–8μm)波长范围内具有高发射率，这样不仅能够降低目标的红外特征，还可以通过特定波段辐射能量来实现散热。

近来，相变材料在光学领域的应用越来越广泛。Ge₂Sb₂Te₅(GST)是一种相变材料，可以在加热、激光脉冲和施加电压等的条件下实现非晶态和晶态的转换。非晶态和晶态下的介电常数分别为16和34，因此，晶态的GST在中红外波段具有高吸收的特点。基于这些优点，GST是一种可用于红外选择性热发射器的理想材料。

目前，研究人员针对光谱辐射进行调制的研究日益成熟，并且在辐射冷却、能量收集技术等领域取得了突破。但是，将具有光谱可调谐选择性发射特点的超材料应用于红外隐身技术的研究尚不成熟。实现红外选择性低发射率的典型方法是多层的红外隐身材料薄膜，它包括硅衬底及交替涂覆于硅衬底表面的高折射率材料层及低折射率材料层。但这种方法也有其局限性，此红外隐身薄膜结构复杂，厚度较厚，不利于大面积的制备，并且高温环境下容易造成材料层脱落，影响了红外隐身的性能。自2008年金属-绝缘体-金属结构被提出以来，超材料已被用于窄带或宽带吸收器的开发。近年来种类繁多的红外选择性热发射器逐渐被各国学者设计出来，但是大多数热发射器都存在一些缺点，如可调谐性低、光谱窗口窄和不可逆控制等问题。

实用新型内容

为了高效实现红外隐身，本实用新型设计了一种基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器。本实用新型结构简单，在3～5μm和8～14μm的大气窗口中，平均发射率分别约为0.20和0.18，在5～8μm的非大气窗口中的平均发射率约为0.80；不受光源的偏振情况影响，在0°～60°入射角范围内都有较好的发射效果；此外，相变材料GST的加入，使得热发射器不仅能够满足低发射率与辐射散热的要求，而且可以调谐红外发射率光谱，实现在红外“隐身”和“非隐身”状态之间切换，对实现红外隐身具有重要的意义。

本实用新型的目的是这样实现的：

基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，由多个可调控结构单元在XOY平面周期排列构成，太阳光以平面波形式入射，每个所述可调控结构单元由下到上依次为基底层、缓冲层和天线；所述基底层和缓冲层的形状为正方形，所述天线为圆筒结构，由上到下依次包括上层结构、中层结构和下层结构，所述上层结构、中层结构和下层结构形成圆筒结构。

定义所述基底层、缓冲层和天线的相对位置为：所述基底层所在平面为XOY平面，即水平面，基底层中心位置与坐标原点重合，基底层的两组对边分别平行于X轴和Y轴，所述缓冲层与基底层的形状、大小和摆放方向相同，在所述天线中的圆筒结构中，中心位置与坐标原点重合。

上述的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，所述基底层的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.165μm；所述缓冲层的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.07μm；所述上层天线的上层结构、中层结构和下层结构的均为圆筒结构，圆筒的外直径尺寸均为D1＝0.49μm，内直径尺寸均为D2＝0.32μm，所述上层结构的高度为H1＝0.11μm，中层结构的高度为H2＝0.1μm，下层结构的高度为H3＝0.15μm。

有益效果：

第一、本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，只有基底层、缓冲层和天线三层结构，且形状只有正方形和圆筒形，结构简单，易于加工；

第二、本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在3～5μm和8～14μm的大气窗口中，平均发射率分别约为0.20和0.18，在5～8μm的非大气窗口中的平均发射率约为0.80，大气窗口的低发射率能够降低目标的红外特征，并通过非大气窗口的高发射率实现辐射散热的目的；

第三、本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器不受光源的偏振情况影响，在0°～60°入射角范围内都有较好的发射效果；

第四、本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，使用了相变材料GST，不仅能够满足低发射率与辐射散热的要求，而且可以调谐红外发射率光谱，实现在红外“隐身”和“非隐身”状态之间切换。

附图说明

图1为本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器的立体结构示意图。

图2为单个可调控结构单元的立体结构示意图。

图3为基底层、缓冲层和天线的相对位置示意图。

图4为本实用新型仿真软件界面截图。

图5为图4中的发射效果曲线图。

图6为上层结构和中层结构的高度变化对发射率的影响曲线。

图7为圆筒结构中外直径的大小变化对发射率的影响曲线。

图8为太阳光入射角度变化对发射率的影响曲线。

图9为太阳光偏振角度变化对发射率的影响曲线。

图10为GST结晶率变化对发射率的影响曲线。

图中：1基底层、2缓冲层、3天线、3-1上层结构、3-2中层结构、3-3下层结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施方式一

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，由多个可调控结构单元在XOY平面周期排列构成，太阳光以平面波形式入射，如图1所示，每个所述可调控结构单元由下到上依次为Au材料的基底层1、GST材料的缓冲层2和天线3；所述基底层1和缓冲层2的形状为正方形，所述天线3为圆筒结构，由上到下依次包括材料为Al的上层结构3-1、材料为GST的中层结构3-2和材料为Al的下层结构3-3，所述上层结构3-1、中层结构3-2和下层结构3-3形成圆筒结构，如图2所示。

定义所述基底层1、缓冲层2和天线3的相对位置如图3所示：所述基底层1所在平面为XOY平面，即水平面，基底层1中心位置与坐标原点重合，基底层1的两组对边分别平行于X轴和Y轴，所述缓冲层2与基底层1的形状、大小和摆放方向相同，在所述天线3中的圆筒结构中，中心位置与坐标原点重合。

具体实施方式二

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式一的基础上，进一步限定基底层1、缓冲层2和天线3的尺寸，如图3所示，所述基底层1的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.165μm，基底层1的高度为H5＝0.165μm；所述缓冲层2的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.07μm，缓冲层2的高度为H4＝0.07μm；所述上层结构3-1、中层结构3-2和下层结构3-3的均为圆筒结构，圆筒的外直径尺寸均为D1＝0.49μm，内直径尺寸均为D2＝0.32μm，上层结构3-1的高度为H1＝0.11μm，中层结构3-2的高度为H2＝0.1μm，下层结构3-3的高度为H3＝0.15μm。

具体实施方式三

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，采用FDTD-Solutions软件，对热发射器进行仿真测试，仿真界面如图4所示，图4中的发射效果曲线如图5所示，根据基尔霍夫定律，吸收率A等于发射率ε，并利用：

计算热发射器的平均发射率。

其中，为热发射器的平均发射率，/>为热发射器的平均吸收率，A为热发射器的吸收率，为随入射光波长λ变化的函数，λ为入射光的波长，λ_max为入射光波长范围内最大值，λ_min为入射光波长范围内最小值；

通过上式能够计算出，在3～5μm和8～14μm的大气窗口中，平均发射率分别约为0.20和0.18，在5～8μm的非大气窗口中的平均发射率约为0.80。

具体实施方式四

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，对天线3中层结构3-2的高度H2的变化对发射率的影响进行仿真测试，当H2的高度从0μm变化到0.2μm，发射率曲线如图6所示。仿真结果表明，当高度低于0.1μm时，共振峰只有一个，随着高度增加，出现了两个共振峰，并且共振峰的位置逐渐产生了蓝移，当高度高于0.1μm时，3～5μm波段中的发射率升高。对比天线高度变化对发射率的影响，发现当高度等于0.1μm时，热发射器的发射率光谱更满足红外隐身的要求。进一步证明了本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器参数的合理性。

具体实施方式五

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，对天线3中圆筒结构中外直径D1的大小变化对发射率的影响进行仿真测试，当长度从0.45μm变化到0.53μm，发射率曲线如图7所示，仿真结果表明，随着外直径大小的增加，共振峰的位置逐渐产生了蓝移，当外直径为0.49μm时，热发射器的共振峰集中在非大气窗口中，并且在大气窗口中保持较低的发射率。通过对比天线圆筒外直径的大小对发射率的影响，发现外直径为0.49μm时，热发射器的发射率光谱更满足红外隐身的要求。证明了本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器参数的合理性。

具体实施方式六

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，分别在0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°入射角的情况下，对太阳光入射的角度变化对发射率的影响进行仿真测试，如图8所示，仿真结果表明，当入射角小于50°时非大气窗口的发射率曲线变化不明显，大气窗口的发射率略有升高；当入射角大于50°时大气窗口的发射率出现升高的情况，这表明本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器拥有良好的广角性能。

具体实施方式七

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，分别在0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°偏振角的情况下，对太阳光偏振角度变化对发射率的影响进行仿真测试，如图9所示，仿真结果表明，改变光源偏振角时热发射器的发射率曲线无变化，整体表现为偏振不敏感。

具体实施方式八

该具体实施方式下的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，在具体实施方式二的基础上，分别在0％、20％、40％、60％、80％和100％结晶率的情况下，对GST结晶率的变化对发射率的影响进行仿真测试，如图10所示。结果表明，随着结晶率的不断增大，共振峰的位置逐渐发生红移，当处于结晶态时，共振峰主要集中在非大气窗口中，且大气窗口中具有低发射率，符合红外隐身对发射率光谱的要求。仿真结果表明，本实用新型基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器实现了在红外“隐身”和“非隐身”状态之间切换。

Claims (2)

1.基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，其特征在于，由多个可调控结构单元在XOY平面周期排列构成，太阳光以平面波形式入射，每个所述可调控结构单元由下到上依次为基底层(1)、缓冲层(2)和天线(3)；所述基底层(1)和缓冲层(2)的形状为正方形，所述天线(3)为圆筒结构，由上到下依次包括上层结构(3-1)、中层结构(3-2)和下层结构(3-3)，所述上层结构(3-1)、中层结构(3-2)和下层结构(3-3)形成圆筒结构；

定义所述基底层(1)、缓冲层(2)和天线(3)的相对位置为：所述基底层(1)所在平面为XOY平面，即水平面，基底层(1)中心位置与坐标原点重合，基底层(1)的两组对边分别平行于X轴和Y轴，所述缓冲层(2)与基底层(1)的形状、大小和摆放方向相同，在所述天线(3)中的圆筒结构中，中心位置与坐标原点重合。

2.根据权利要求1所述的基于圆筒结构阵列的可调谐红外选择性热发射器，其特征在于，所述基底层(1)的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.165μm；所述缓冲层(2)的尺寸为0.7μm×0.7μm×0.07μm；所述天线(3)的上层结构(3-1)、中层结构(3-2)和下层结构(3-3)的均为圆筒结构，圆筒的外直径尺寸均为D1＝0.49μm，内直径尺寸均为D2＝0.32μm，所述上层结构(3-1)的高度为H1＝0.11μm，中层结构(3-2)的高度为H2＝0.1μm，下层结构(3-3)的高度为H3＝0.15μm。