[发明专利]基于Fabonacci准周期结构的非互易热辐射器

说明书

本发明提供了一种基于Fabonacci准周期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Fabonacci准周期磁光晶体结构层，所述Fabonacci准周期磁光晶体结构层包括设于金属反射镜上的电介质平板层和堆叠设于电介质平板层上的周期性堆叠层，所述周期性堆叠层包括磁光材料层和堆叠设于磁光材料层上的多层电介质平板层。本发明的基于Fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，可以由镀膜工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，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Fabonacci准周期结构的非互易热辐射器。

背景技术

根据传统的基尔霍夫定律，一个物体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)】，它提供了测量物体光谱辐射率的一种简便方法。另一方面，近年来，研究发现传统的基尔霍夫定律仅仅对互易材料构成的器件有效，对非互易材料(比如，I型磁外耳半金属，磁光材料和石墨烯等)构成的器件不再有效，此时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。

非互易辐射通常定义为光谱方向吸收率和光谱方向辐射率的差值，也就是差值越大，非互易辐射也越强。由于在多个领域具有巨大的潜在应用价值，非常有必要采用新的物理机制和结构来获取强的非互易辐射。Zhu等人设计了一种基于磁光材料(InAs)光栅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,etal.,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。为此，Wu等人设计了一种InAs平板-电介质光栅-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,etal.,ES Energy Environ.13(2021)】。但是，这些热辐射器都基于结构化的光子结构，从而增加了制作成本。为了解决这一问题，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,et al.,ES EnergyEnviron.12(2021)】。近年来，Wu等人提出了一种磁光晶体结构，通过激发Tamm等离激元可以在30°-60°的入射角范围内实现强的非互易性。虽然这种结构在60°入射角时的非互易性大于0.9，但是当入射角增加到30°时，非互易性减小到0.87。

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。Moharam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Fabonacci准周期结构的非互易热辐射器，目的是实现当磁场强度为3T、光以30°角入射时，热辐射器可始终保持近似0.9的非互易性。