[发明专利]基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器

说明书

本发明提供了一种基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器，所述热辐射器包括由下到上依次设置的电介质衬底、金属反射镜和磁光晶体异质结构层，所述磁光晶体异质结构层包括第一堆叠层组和设于第一堆叠层组上的第二堆叠层组，所述第一堆叠层组和第二堆叠层组均由交替堆叠设置的磁光材料层和电介质平板层构成。本发明具有使用灵活方便、非互易性高，可以产生双带强非互易性等优点，是一种非常理想的双带非互易热辐射器件，利用镀膜工艺，可以大批量、低成本地生产，制作后的热辐射器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。

技术领域

本发明涉及磁光材料的热辐射器技术领域，尤其涉及一种基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器。

背景技术

对于传统的热辐射器，根据基尔霍夫定律，一个器件的光谱方向辐射率一般等于光谱方向吸收率。这个现象是由于一般化麦克斯韦尔方程的洛伦茨互易特性所致【L.D.Landau,et al.,Electrodynamics of Continuous Media,2nd ed.(Pergamon,1984)】。然而，近年来，人们发现通过在热辐射器中引入非互易材料(比如，I型磁外耳半金属，磁光材料和石墨烯等)，将会产生非互易热辐射现象(光谱方向辐射率不等于光谱方向吸收率)，从而验证了违背基尔霍夫定律的现象。这些发现也显示了将非互易材料引入光子结构将促进具有更先进功能的新型能量器件的发展。

虽然在能量捕获器件和热辐射器领域具有巨大的应用前景，但是关于实现强的非互易辐射的研究仍然非常少。Zhu等人设计了一种基于磁光材料(InAs)光栅-InAs平板-金属反射镜结构的非互易热辐射器，当外部磁场为3T时，可以在15.96微米处实现强的非互易辐射【Zhu,et al.,Phys.Rev.B 90,220301(2014)】。随后，为了减少工作时的外加磁场，Zhao等人提出了一种导模谐振结构，即一层InAs平板被放置在一个电介质光栅-波导混合层和金属反射镜之间，该结构可以在0.3T的外加磁场下实现近乎完美的非互易热辐射【Zhao,et al.,Opt.Lett.44,4203(2019)】。尽管此处所需要的外加磁场很小，但是工作波长必须远至25微米，这是由于InAs材料在更长的波长处拥有更强的磁光效应，因而在更长的波长处也更容易在更小的外加磁场下获得强的非互易性。但是在实际应用中，由于外在温度高于300K，因而热辐射的作用波长通常被限制在20微米以内。此外，Wu等人设计了一种电介质光栅-InAs平板-金属反射镜的三明治结构，在外加磁场2T时，它可以在15.835微米处获得强的非互易辐射【Wu,et al.,ES Energy Environ.13(2021)】。但是，这些热辐射器都基于微纳光学结构，会增加实际应用中的制作成本。为此，Wu等人设计了一种平板结构，基于棱镜的耦合效应来实现强的非互易辐射，但是棱镜的使用会限制器件的集成化【Wu,etal.,ES Energy Environ.12(2021)】。尽管如此，这些所实现的非互易热辐射，仅仅可用于单个波长，这限制了它的进一步发展。

一维光子晶体结构通常是利用镀膜工艺，在衬底上加工出的多层薄膜结构的晶体。基于磁光材料的衍射问题，不能由简单的光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的基于各向异性材料的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Li等人已给出了各向异性严格耦合波理论的算法【Li et al.,J.Opt.Soc.Am.A,13,1870-1876(1996)；Li et al.,J.Opt.A:Pure Appl.Opt.5,345-355(2003)】，可以解决这类基于各向异性材料的光子结构的衍射问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器，目的是使热辐射器产生双带非互易性。

基于上述目的，本发明提供了一种基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器，所述热辐射器包括由下到上依次设置的电介质衬底、金属反射镜和磁光晶体异质结构层，所述磁光晶体异质结构层包括第一堆叠层组和设于第一堆叠层组上的第二堆叠层组，所述第一堆叠层组和第二堆叠层组均由交替堆叠设置的磁光材料层和电介质平板层构成。