《基于复合光栅实现红外波段定向辐射特性》开题报告
1.课题背景
随着科技和工业水平的进步，光电技术得到了长足的发展和应用，越来越多的光电探测技术被用于航天、电子、机械等各个领域，目前应用最成熟的是红外探测技术。而随着红外探测技术等应用到军事领域，为军事目标的安全带来了巨大的挑战，传统的军事目标如军事卫星等只作简单的可见光隐身已经不能满足现代战争的需要。军事卫星因为在太空中主要靠热辐射进行散热，若不做红外隐身处理，在卫星的运行过程中散发的热量很容易被红外探测器捕捉，从而暴露目标，造成极为严重的后果。因此如何在保证军事卫星正常散热的情况下，使其隐身就成为关键问题之一，备受各国关注。
目前在隐身方面的研究方向之一是在红外探测器工作的波段3-5mu;m和8-14mu;m的辐射特性，控制军事卫星辐射特性与背景辐射特性一致，在其他的波段增大。微结构复合光栅的热辐射特性控制就是通过研究分析目标表面微结构的不同材料的属性和辐射特性，从而对目标的热辐射特性进行控制，使其在特定波段的辐射强度降低至与背景辐射一致，进而实现目标在多波段隐身的效果。
另一种研究方向是控制微结构的定向辐射特性，使其在特定角度的辐射强度降低至和背景辐射一致，在其余方向的辐射强度加强，从而达到既可以在特定方向上躲避红外探测，也可以保证军事卫星的正常散热。定向辐射力是指在某规定方向上的单位面积上所发射的能量，利用复合光栅实现控制红外波段定向辐射特性具有重要的研究意义和应用空间。
2.国内外研究现状
周期性微结构表面辐射特性是一类重要的微尺度结构辐射换热研究对象，因其复杂的微尺度辐射机理和特殊的辐射现象，具有巨大的应用价值，受到了国内外学者的广泛关注。
何雪梅[1]在分析了传统实现多波段隐身的方法的不足之处的基础上，基于薄膜干涉理论，通过研究分析目标表面微结构的不同材料属性与结构型式对光谱特性的影响,研究微结构的热辐射特性控制机理,在材料选取恰当的前提下设计出某种具体的微结构来获得预期的光谱特性,从而实现多波段兼容隐身的目标。优化设计了可见光高透射、红外波段高反射及激光1.06mu;m波段兼容的14层膜系结构。并从非对称F-P共振的角度解释了10.6mu;m出现吸收峰的原因。同时优化设计了可见光380-780nm高透射低反射、中远红外3mu;m-5mu;m和8mu;m-14mu;m高反射低吸收和激光波段1.06mu;m和10.6mu;m兼容的32层膜系结构。黄金国[2] 深入开展了微尺度热辖射控制的研究工作，利用微结构和电磁波之间的各种作用机理,探索微尺度热福射控制在各种场合的应用,基于微腔谐振效应和F-P共振效应的光栅耦合LSMO热致变色性能研究，计算了具有光栅结构表面的热致变色材料LSMO的光谱发射率随结构尺寸和温度的变化情况，提出了内置Al光栅和Si化光栅的结构化LSMO薄膜，发现复合了A1光栅和SiO2光栅的结构要比块材LSMO和单独的LSMO薄膜具有更高的热致变色性能；在计算光栅结构中的电磁能量分布时,发现由于微腔谐振效应的存在使得在某些波长电磁波在光栅沟槽中呈驻波形式分布,这就导致在这些波长位置处电磁波被较大地吸收,从而产生发射率峰的现象，随着光栅深度的增大,发射率峰向长波方向移动。最后发现辐射峰的位置与结构尺寸有关，通过控制结构的尺寸可以用来调控辐射峰的位置，并且辐射角增大的过程中辐射峰中心的位置偏移很小，证明了光栅结构具有很好的等方向性。刘广平[3]基于电磁波理论,对微结构热辐射光谱控制特性及其应用研究方面的问题进行了研究,包括: 微/纳尺度热辐射能量传递理论方法、一维微结构光谱控制特性及其应用研究、热致变色材料光谱控制研究、二维粗糙表面光谱特性计算及二维表面光谱控制特性计算研究。将周期性一维微结构光谱控制特性用于研究Morpho蝴蝶结构显色研究,计算其表皮微结构的光谱特性,从色谱角度出发,根据计算结果解释了结构显色的根本原理,发现周期结构具有反射控制特性以及反射透射兼容控制特性；利用Si和Si化交替堆叠的薄膜结构获得了一种一维光子晶体结构,实现了在0.8-1.8mu;m高透射和1.8-3.5mu;m髙反射的特性,并指出这种结构可作为滤波器应用在GaSb热光伏电池上；对于二维粗糙表面光谱特性计算，应用FDTD方法，得出FDTD方法在粗糙表面倾斜度较大或较小的情况下都较GOA方法和EMT方法接近实际测试结果。焦焱[4]针对航天器等主要依靠辐射换热的器件，通过设计周期性微结构表面调控各光电系统内部的器件的光谱辐射特性，从而解决其散热困难和能量转换效率低等问题。设计了二重凹槽光栅结构和复杂二重凹槽光栅结构两种新型微尺度表面结构，以拓宽光栅的等效吸收带宽，并且提出移动盖板结构光栅、填充液结构光栅和齿梳微驱动器结构光栅三种主动调控光栅结构设计方案。通过计算表明，二重凹槽光栅结构比简单光栅的有效带宽提高 1.525 倍，复杂二重凹槽光栅结构比简单光栅结构的有效带宽提高 2.34 倍，在保持吸收峰高度的同时，有效拓宽其谱带带宽；加工残留和上下凹槽中心线移位误差对两种结构的光谱辐射特性影响微小，证明了这两种光栅的辐射特性具有较好的稳定性。邱冬[17]等基于转移矩阵法分析了Tamm结构中的电磁场分布与共振模式，提出了小孔-Tamm复合结构来来加强荧光信号和控制辐射方向。Tamm结构是由布拉格反射单元和金属膜组成的复合结构，其中布拉格反射单元由高、低折射率介质A、B交替组成，一共N个周期。最后利用FDTD模拟仿真证明了辐射方向、辐射强度可以通过改变初射波长、偶极子位置、小孔尺寸来调控。将具有特定功能的表面结构与Tamm结构相结合，可以对辐射场进行进一步加强。周永凯[22]从辐射散热的基础理论入手，分析了红外定向辐射散热器的散热机理，红外定向辐射器由热源体、辐射体、反射体、隔热层和金属壳体等部分组成，其中反射层和隔热层保证红外辐射器定向辐射，有效防止辐射热从辐射器背面散失，因此反射层、隔热层的反射系数和导热系数对定向辐射特性有很大影响，从红外定向辐射器的组成材料和结构上探讨其辐射散热的影响因素, 从而为红外定向辐射器的结构设计、材料选用提供依据。周华英[23]等基于表面波调制的概念提出了一种二维三角晶格光子晶体定向辐射的结构，该结构在X方向10层、Z方向29层圆 形介质柱周期排列而成，在完整的二维三角晶格光子晶体结构的Z=0的位置上引入一个线缺陷就形成光子晶体单波导结构。通过适当平移波导出射端表面层圆形介质柱并适当增大其半径在波导出射端表面引入表面波，使得表面波与波导直接出射波相干叠加实现定向辐射，最终证明该结构具有很好的定向性，并且定向辐射的效果跟表面层介质柱平移的距离及其半径的大小有关。
Basu等[5]研究并总结了近场的热辐射传输原理及其在能量转化上的应用, 研究指出，倏逝波(evanescent wave)和光子隧道(photon tunneling)效应导致近场能量传输被极大加强，甚至比两黑体间的能量传输高出几个数量级。由此可见，对于微尺度下的平行平板结构及多层结构，表面波之间的多重相干效应、倏逝波的耦合以及光子隧道效应等在大尺度辐射传播过程中未见体现的光谱辐射机理将严重影响该结构的能量传输效果，使得微尺度结构表面的辐射传输需要通过求解麦克斯韦方程、利用涨落电动力学(fluctuational electrodynamics)等理论进行分析。Zhang等[6]设计了一种带二氧化硅夹层的多层光栅结构。研究模拟了其光谱特性，并与一维普通光栅和复杂光栅结构进行了对比，指出利用该结构的磁极化特性可实现波长选择性的漫发射增强的功能。Wang等[7]研究了正入射和斜入射情况下双层纳米狭缝列的异常光透射现象，并指出磁极化为引起该现象的原因。该研究用 LC 电路模型分析预测了磁极化的存在。此外还对双层纳米狭缝列结构中几何参数和水平位移对共振条件的影响进行了研究。其中水平位移对共振影响的研究提供了一种新的调节热辐射特性的方法。研究表明磁极化的显著特征表现为金属条间的环路电流和强磁场约束，且磁极化具有入射角度的方向独立性。Hsu等[8]研究了在复杂光栅光栅凸脊侧面加贴方形凸起后的几何变形光栅的辐射特性调节效果，并与未进行几何变形的复杂光栅的辐射特性进行了对比。研究认为，由于空腔共振的作用，进行几何变形后的光栅可比变形前的复杂光栅激发谱带更宽的高吸收率峰。
