宽带定向热辐射方法及热辐射器

1.本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种基于介电常数近零材料的宽带定向热辐射方法及热辐射器。


背景技术：

2.热辐射在自然界中普遍存在。根据统计力学的基本原理，所有非绝对零度的物体都会发射或吸收电磁辐射。然而，由于热诱导的随机电流在空间和时间上不相干，传统的热辐射通常是全向的。在不需要的方向上，过剩的热辐射会导致能量的浪费，并降低热辐射器件的效率。因此，调控热辐射的方向对于辐射制冷、热光伏、热隐身和气体传感等众多应用领域具有重要而深远的影响。
3.迄今为止，对于热辐射方向的控制已经取得了长足进展。现有工作利用表面声子激元结构、表面等离激元结构、光子晶体和超表面等方法，获得了热辐射的定向控制，但由于其共振性质，本质上只能实现窄带的定向热辐射。最近，有工作提出了利用梯度介电常数近零（enz）材料来克服这种限制。enz材料支持berreman模式，即一种对于tm偏振光的泄漏模式，入射角在一定范围内，该模式可与自由空间模式耦合。该工作提出的基于多种极性氧化物多层膜的梯度enz辐射器在8-11微米和10.5-14微米（发射率0.8）实现了对tm偏振光的定向热辐射。在此基础上，研究人员利用多层极化氧化物、掺杂半导体以及weyl半金属进一步实现了带宽更大的定向热辐射，其中，理论上最大带宽为9微米(22-31微米，发射率0.8)。然而，热发射本质上是一种宽带现象，300k时，热辐射覆盖的波段为5-30微米。已有工作中，宽带定向热辐射的实现依赖于选择enz区域（0介电常数实部1的光谱区域）位于目标波段的几种特定材料，这意味着热辐射的波长范围、强度和可调性均受到材料固有性质的限制。为了将高发射率波段扩宽，需要增加enz薄膜的层数，然而，当enz薄膜的总厚度较大时，热辐射的方向性会降低，因此不能无限地堆叠或掺杂。
4.综上所述，目前缺乏一种不局限于材料，光谱及角度响应可调、可实现覆盖整个热辐射波段(5-30微米)的定向热辐射的普适性方法。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题，提供了一种宽带定向热辐射方法，基于（嵌套）等效介质理论，建立了宽带定向热辐射器的普适性理论模型，仅用两种常见的商用材料，可在超宽波段或分立波段内实现强定向热辐射，且性能优异，不局限于特定材料，发射谱可调性高，支持多种结构，结构鲁棒性强。
6.本发明提供的宽带定向热辐射方法，包括以下步骤：s1、依据目标波段选择介电常数在目标波段内可正负互补的至少两种材料，将所有材料等效拟合为复合材料；s2、计算复合材料的等效介电常数实部在目标波段内近零时，每种材料的体积占比，依据所积占比将所有材料构建为介电常数近零材料；
s3、根据体积占比确定介电常数近零材料的周期性结构单元，在反射体上构建介电常数近零材料，实现宽带定向热辐射。
7.优选的，利用等效介质理论模型，确定每种材料的体积占比。
8.优选的，根据目标角度响确定介电常数近零材料的厚度。
9.一种热辐射器，依据宽带定向热辐射方法实现定向热辐射。
10.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明可仅使用两种常见材料，即可实现覆盖整个热辐射波段(5-30微米)的强(发射率》0.8)定向(80
±5°
)热辐射，且性能优异，不局限于特定材料，发射谱可调性高，支持多种结构，结构鲁棒性强，解决了宽带定向热辐射器工作波段有限、定向性弱等问题；本发明为研究基于介电常数近零行为的奇异物理现象提供了新途径，可应用于信息加密、能量收集与利用、热伪装和红外探测等领域。
附图说明
11.图1是根据本发明实施例提供的宽带定向热辐射方法；图2是根据本发明实施例提供的纯材料、二相超材料、三相超材料的等效介电常数的曲线；图3是根据本发明实施例提供的二相、二相梯度、三相enz超材料定向热辐射器的设计方法；图4是根据本发明实施例提供的二相enz超材料宽带定向热辐射器的结构示意；图5是根据本发明实施例提供的三相enz超材料超宽带定向热辐射器的结构示意；图6是根据本发明实施例提供的纯enz材料，以及二相、二相梯度、三相enz超材料定向热辐射器的发射谱。
具体实施方式
12.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。
13.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。
14.如图1所示，本发明实施例提供了一种宽带定向热辐射方法，包括以下步骤：s1、依据目标波段选择介电常数在目标波段内可正负互补的3种材料，即材料1、材料2，将2种材料等效拟合为复合材料，具体的材料1采用普通的有损等离子体材料，其相对介电常数是其波长的函数，利用drude模型对介电常数进行描述，如式下式：在某一波长下的介电常数：；；其中，为高频介电常数，为工作角频率，为碰撞频率，为等离子体频率。
15.在本实施例中，等离子体波长(为光速，)，，，如图2中a所示，材料1的enz波长位于短波区域，长波区介电常数小于0；介电常数在enz波长附近的斜率较大，因此其enz区域较窄，即基于该材料的辐射器的高发射率带宽小。
16.为使材料1的enz区红移，利用介电常数为正的电介质材料2对材料1进行“稀释”，实现材料1和材料2形成的二相的复合材料的介电常数在目标波段内可正负互补，即二相的复合材料为二相enz超材料。
17.s2、在亚波长尺度，利用等效介质理论模型确定每种材料的体积占比，具体的，采用maxwell-garnett有效介质理论(emt)计算二相enz超材料的等效介电常数如下式：；其中，为材料2的体积占比。
18.在本实施例中，，如图2中b所示，若的取值发生变化，enz波长会发生不同程度的红移，利用该二相enz超材料的热辐射器的高发射率波段被拓宽，此时进行逆运算，计算二相enz超材料的等效介电常数实部在目标波段内近零时，材料2的体积占比为：此时即可依据获得的体积占比将材料1和材料2构建为介电常数近零材料，并用于热辐射器。
19.作为一种优选的实施例，为了进一步红移并拓宽enz区域，利用介电常数为的电介质材料3“稀释”已获得的二相的复合材料，实现材料1、材料2、材料3形成的三相的复合材料的介电常数在目标波段内可正负互补，即三相的复合材料为三相enz超材料，其有效介电常数通过嵌套emt描述为：；其中，f是材料3的体积占比。
20.在本实施例中，，如图2中c所示，即为三相enz超材料的有效介电常数，二次“稀释”后，enz波长显著红移，利用三相enz超材料制备的辐射器的高发射率带宽显著增大。
21.依据上述方案，已获得二相enz超材料和三相enz超材料，并依据密度区域分布可构建二相梯度enz超材料，如图3所示，示出基于二相、二相梯度以及三相enz超材料的宽带定向热辐射器，在目标波段内实现定向热辐射仅需所用材料的介电常数在目标波段内能够
正负互补即可，材料种类不局限于上述材料，可使用材料可包括金属、透明导电氧化物、半导体、极性氧化物、有机及无机电介质等等。此外，enz超材料的整体厚度以及各材料的体积占比均会对发射率的角度响应产生影响；材料的性质（如drude参数、电介质介电常数大小等）以及各材料的体积占比均会影响高发射率的光谱区域。
22.s3、如图4中a和b所示，基于二相enz超材料，根据材料1和材料2的体积占比确定周期性结构单元以及阵列结构，在金属反射镜上构建二相enz超材料，具体采用材料1包裹亚波长尺度的材料2的纳米柱的形式，并通过目标角度响确定二相enz超材料的厚度。基于二相梯度enz超材料的宽带定向热辐射器的结构与之类似，即在金属反射镜上纵向堆叠多层不同的二相超材料。
23.如图5中a和b所示，与二相enz超材料的宽带定向热辐射器区别在于，在金属反射镜上构建亚波长尺度的材料2纳米柱，在该系统上均匀地覆盖一层材料1薄膜，周围填充材料3，该模型具有强大的结构包容性，以基于三相enz超材料的超宽带定向热发射器为例，对于不同结构单元，例如图5中c和d给出的周期性结构单元，所用材料种类、超材料厚度及各材料体积占比相同时，可得到近乎相同的发射谱。
24.为验证本发明的有效性和优越性，基于上述结构，如图6示出了针对tm（横向磁场）偏振光，利用纯enz材料，以及二相、二相梯度、三相enz超材料制成的定向热辐射器的发射谱的全波仿真结果，参数情况为：，，，，。
25.图5中a为基于纯enz材料的热辐射器的发射谱，材料厚度为，其高发射率仅存在于-，高发射率波段窄。
26.图5中b为基于二相enz超材料的热辐射器的发射谱，，，高发射率波段被拓宽。
27.图5中c为基于二相梯度enz超材料的宽带定向热辐射器的发射谱，，，，，高发射率波段被明显拓宽。此外，通过选择适当材料，并使与差距较大时，能够实现明显的分立波段宽带定向热辐射。
28.图5中d为基于三相enz超材料的热辐射器的发射谱，，，，高发射率波段被显著拓宽（-），且定向性强（
‑°
）。
29.综上，发射谱的波长范围及角度响应随超材料厚度及材料体积占比的演化过程与理论模型相符合。
30.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。
31.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。

技术特征：
1.一种宽带定向热辐射方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、依据目标波段选择介电常数在目标波段内可正负互补的至少两种材料，将所有材料等效拟合为复合材料；s2、计算复合材料的等效介电常数实部在目标波段内近零时，每种材料的体积占比，依据所述体积占比将所有材料构建为介电常数近零材料；s3、根据所述体积占比确定介电常数近零材料的周期性结构单元，在反射体上构建介电常数近零材料，实现宽带定向热辐射。2.根据权利要求1所述的宽带定向热辐射方法，其特征在于，s2中，利用等效介质理论模型，确定每种材料的体积占比。3.根据权利要求1所述的宽带定向热辐射方法，其特征在于，s3中，根据目标角度响确定介电常数近零材料的厚度。4.一种热辐射器，其特征在于，依据权利要求1-3任意一项所述的宽带定向热辐射方法实现定向热辐射。

技术总结
本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种宽带定向热辐射方法及热辐射器，依据目标波段选择介电常数在目标波段内可正负互补的至少两种材料，将所有材料等效拟合为复合材料；计算复合材料的等效介电常数实部在目标波段内近零时，每种材料的体积占比，依据所述体积占比将所有材料构建为介电常数近零材料；根据所述体积占比确定介电常数近零材料的周期性结构单元，在反射体上构建介电常数近零材料，实现宽带定向热辐射，并依据该方法设计了热辐射器。本发明可仅使用两种常见材料，实现覆盖整个热辐射波段的强定向热辐射，且性能优异，不局限于特定材料，发射谱可调性高，支持多种结构，结构鲁棒性强。结构鲁棒性强。结构鲁棒性强。


技术研发人员：李炜 王秋宇 李龙男 刘天际 黄晨
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/9/6