光栅薄膜结构磁极化激元的激发特性.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号: 123655
光栅/薄膜结构磁极化激元的激发特性
帅永1 赵博2 张卓敏2 谈和平1
(1 哈尔滨工业大学能源学院航空航天热物理研究所,哈尔滨 150001)
(2 ia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332)
Tel: 0451-86412308,Email: ******@hit.
摘要:本文采用严格耦合波法(RCWA)分析了光栅/薄膜结构磁极化激元的激发特性,研究了二维光栅结构与三维光栅结构对TPV辐射器光谱选择特性的影响,考察了金属材料、入射角、偏振特性、光栅尺寸等参数对光栅/薄膜结构光谱发射率的影响,获得了几何参数和物性参数对磁极化激元的激发规律。研究结果为TPV系统的热辐射器优化设计提供了数值基础,具有重要的理论意义和应用价值。
关键词:辐射换热;辐射器;光栅结构;磁极化;TPV
1 引言
热光伏(TPV, thermo-photovoltaic)设备是将受热的辐射器的能量通过半导体PN结电池直接转换成电能,但其转化效率一直都不高。金属微纳结构由于plasmonic 模式间的耦合和杂化效应产生了一些非常有趣的光学现象,一直被关注用来提高辐射器效率的很重要的一种途径。美国麻省理工学院军用纳米技术研究所团队对一块钨的表面进行操作后,其释放出的光波能被光电池最大限度地利用。并基于此思路研制出一种纽扣光电池,其能源转化效率为同样大小和重量锂离子电池的4倍。
一个理想的辐射器应该在高于禁带区域具有高的发射率,而在低于禁带区域具有较低的发射率。许多微结构被用于提高TPV辐射器的辐射性能,包括一维复杂光栅[1]、一维光子晶体[2]、基于表面等离激发激元(SPP, Surface Plasmon Polariton)的二维钨光栅[3]、二维微腔结构[4]、三维木料堆结构光子晶体[5]等。B. J. Lee (2008) [6]、. Wang (2012) [7]等人利用激发表面磁极化激元(MP, ic Polariton)模式来实现相干热辐射的理论研究,将二维周期性的金属条放在金属膜上,金属条与金属膜之间通过电介质层隔离。通过金属条与金属膜之间的耦合、负介电函数的非磁材料的金属膜,共同激发了表面 MP模式,结构表现出了明显的相干辐射峰。本文基于二维周期性光栅/薄膜结构,利用RCWA法研究了三维周期性光栅/薄膜结构对TPV系统辐射器的磁极化激元的激发特性,并考察了各种辐射物性参数和几何参数对辐射器光谱发射率的影响。
2 RCWA算法及物理模型
基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体() 和中央高校基本科研业务费专项资金(No. HIT. )资助
严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis,RCWA) 是一种半解析的方法,将电磁场表示成一系列的空间谐波和,把亥姆霍兹方程转变成一系列的常微分方程,转化成本征值问题求解,空间谐波的分布用本征矢量表示,而本征值描述了复传播常数的纵向行为。在不同介质的分界面处,求得在入射、光栅和透射区域内的边界条件,然后根据这些边界条件求得满足电磁场边界条件的麦克斯韦方程组的解,得到整个结构中的光衍射行为,非常适合