基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器的制作方法

1.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：

2.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。
3.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,et al.,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。
4.一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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.所述第一堆叠层组与第二堆叠层组对称设于第一堆叠层组和第二堆叠层组相接面的上下侧。
8.所述第一堆叠层组和第二堆叠层组均为四个堆叠层。
9.所述第一堆叠层组包括两层磁光材料层和两层电介质平板层，且磁光材料层与电介质平板层由下到上依次交替堆叠设置；所述第二堆叠层组包括两层磁光材料层和两层电介质平板层，且磁光材料层与电介质平板层由上到下依次交替堆叠设置。
10.所述磁光材料层的厚度为4.55-4.65微米；所述电介质平板层的厚度为3.18-3.28微米，所述金属反射镜的厚度大于0.1微米。
11.所述磁光材料层的厚度为4.6微米，电介质平板层的厚度为3.23微米，所述金属反射镜的厚度为0.2微米。
12.所述金属反射镜为铝反射镜。
13.本发明的有益效果：
14.(1)本发明的热辐射器的顶部磁光晶体异质结构层由磁光材料(c)和电介质平板(a)按照序列排列((ca4(ac)4)组成，当外加磁场为3t，光以56
°
角入射时，本发明的热辐射器在15～16微米的波段范围内，将产生强的双带非互易辐射，随着结构参数的变化，非互易辐射的光谱会发生频移，非互易的峰值会随之发生频移，但是在各组的峰值波长处可始终保持高于0.80的非互易性。特别是电介质平板的厚度为3.23微米，磁光材料平板的厚度为4.6微米，底部金属反射镜的厚度为0.2微米时：当外加磁场为3t，红外波段的光以56
°
角入射时，其在15.337微米处将产生第一个非互易峰值，其非互易性高于0.86，在15.731微米处将产生第二个非互易峰值，其非互易性高于0.92。
15.(2)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。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为本发明实施例在外加磁场3t，tm偏振光以56
°
角入射时器件吸收和辐射随波长变化的曲线图；
19.图3为图2中实施例的非互易性随波长变化的曲线图。
20.图中标记为：
21.1、入射区域；2、磁光晶体异质结构层；3、金属反射镜；4、电介质衬底；h1、电介质平板a的厚度；h2、磁光材料层c的厚度。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
23.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
24.如图1所示，本发明涉及一种基于磁光晶体异质结构的非互易热辐射器，包括由下到上依次设置的电介质衬底4、金属反射镜3和磁光晶体异质结构层2，磁光晶体异质结构层2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，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。
25.为了便于提高该热辐射器的非互易性，第一堆叠层组与第二堆叠层组对称设于第一堆叠层组和第二堆叠层组相接面的上下侧。优选的，第一堆叠层组和第二堆叠层组均为四个堆叠层。
26.第一堆叠层组包括两层磁光材料层和两层电介质平板层，且磁光材料层b与电介质平板层a由下到上依次交替堆叠设置；第二堆叠层组包括两层磁光材料层和两层电介质平板层，且磁光材料层c与电介质平板层a由上到下依次交替堆叠设置。如图1所示，磁光晶体异质结构层由磁光材料(c)和电介质平板(a)按照序列排列((ca)4(ac)4)组成，电介质平板的厚度为3.18～3.28微米，磁光材料平板的厚度为4.55～4.65微米，金属反射镜的厚度大于0.1微米。在实际制作中，选择一片熔石英衬底，在其上镀上适当厚度的金属铝膜，接着按照序列((ca)4(ac)4)可以交替镀上磁光材料层和熔石英层。
27.图1中，区域1是均匀的，为空气(折射率n1＝1)。tm偏振光以56
°
角入射到该器件，tm偏振光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，即y轴。在如图1所示的几何结构下，本发明采用各向异性严格耦合波理论计算了该双带非互易热辐射器在红外波段范围内的吸收和辐射效率。利用各向异性严格耦合波理论和模拟退火法则【w.goffe et al.,j.econometrics 60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种双带非互易热辐射器的结构参数。
28.下面给出本发明的一个具体实施例，此时底部金属反射镜的材料为铝(al)，其折射率参考文献【m.a.ordal et al.,appl.opt.24,4493(1985)】，电介质层a和电介质衬底的材料为sio2，其折射率为1.45，磁光材料层c的材料为inas，当外加磁场b沿着y轴方向时，其
介电常数张量在红外区域可以表示成:
[0029][0030]
其中
[0031][0032][0033][0034]
其中详细的参数定义和参数值可以参考zhao,et al.,opt.lett.44,4203(2019)。
[0035]
磁光晶体异质结构层由磁光材料(c＝inas)和电介质平板(a＝sio2)按照序列排列((ca)4(ac)4)组成。电介质平板的厚度为h1＝3.23微米，磁光材料平板的厚度为h2＝4.6微米，金属反射镜的厚度为0.2微米。
[0036]
表1给出了本发明的一系列实施例，η＝|α-e|表示非互易性，其中η1和η2分别表示第一个和第二个谐振处的最大非互易值。
[0037]
表1 tm偏振光垂直入射时峰值波长处的吸收效率
[0038][0039]
图2是本发明要求范围内一个实施例在外加磁场3t，tm偏振光以56
°
角入射时器件的吸收和辐射随波长变化的曲线，由图可见，当外加磁场为0时，吸收光谱和辐射光谱重叠，可以获得两个高的吸收/辐射峰(分别为95.4％和99.8％)。当外加磁场为3t时，吸收和辐射光谱显示了蓝移，此外吸收和辐射光谱不再彼此重叠，表示违背了传统的基尔霍夫定律。
[0040]
图3是图2中实施例的非互易性随波长变化的曲线，从图中可以看出，当外加磁场为3t，红外波段的光以56
°
角入射时，其在15.337微米处将产生第一个非互易峰值，其非互
易性高于0.86，在15.731微米处将产生第二个非互易峰值，其非互易性高于0.92。
[0041]
在制作本发明用于红外波段的基于磁光晶体异质结构(磁光材料-光子晶体异质结构)的双带非互易热辐射器，适当选择磁光材料和电介质平板的厚度，就可以得到具有强的非互易性的双带非互易热辐射器。
[0042]
本发明的基于磁光材料-光子晶体异质结构的双带非互易热辐射器，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，是一种非常有实用价值的热辐射器件，利用镀膜工艺，可以大批量、低成本地生产，制作的热辐射器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
[0043]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0044]
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。