《一维微结构光栅辐射特性的反设计方法（学位论文-工学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一维微结构光栅辐射特性的反设计方法（学位论文-工学）（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国 内 图 书 分 类 号 ： TK124 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 536.521.2 密 级 ： 公 开工学硕士学位论文一 维 微 结 构 光 栅 辐 射 特 性 的 反 设 计 方 法硕 士 研 究 生： 董健导 师： 刘林华教授申 请 学 位： 工学硕士学 科： 工程热物理所 在 单 位： 能 源 科 学 与 工 程 学 院答 辩 日 期： 2013 年 7 月授 予 学 位 单 位： 哈尔滨工业大学Classified Index: TK124U.D.C.: 536.521.2Dissertation for the Master Degree i
2、n EngineeringINVERSE DESIGN METHOD ON RADIATIVEPROPERTIES OF ONE DIMENSIONALMICRO/NANO SCALE GRATINGCandidate： Dong JianSupervisor： Prof. Liu LinhuaAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Engineering ThermophysicsAffiliation： School of Energy Science andEngineering,Date of Oral
3、 Examination： July, 2013University： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要微结构光栅对入射到其 表面的电磁波能表现出 波长选择性，基于这一 特点，微 结 构 光 栅 在 对 辐 射 特 性 的 调 控 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 本 文 针 对 航 天 器 热 控 制 背 景 ，对 光 栅 的 辐 射 特 性 进 行 了 反 设 计 ， 目 的 是 获 得 波 长 10 微 米 处 具 有 发 射 峰 及 较 宽 发射峰的光栅结构。反问题的求解要结合正、反问题算法，
4、本文采用的正问题算法是严格耦合波分析，反问题算法是遗传算法。求解的对象包括槽型光栅、薄膜光栅 以 及 能 实 现 发 射 峰 移 动 的 可 移 动 光 栅 。槽 型 光 栅 包 括 矩 形 光 栅 和 双 槽 光 栅 。 在 横 磁 (TM)波、垂直方向，两者反演后的 结 果 都 在 10 微 米 处 产 生 了 发 射 峰 ， 其 产 生 机 理 可 归 结 于 较 深 的 光 栅 槽 内 形 成 了磁 极 化 (MP)。两者在角度增大时表面等离子极化(SPP)的 出 现 干 扰 了 MP， 使 得 发射峰向长波方向移动并逐渐消失。在目标函数中加入角度项可以得到在大角度范围 内 保 持 高
5、 发 射 率 的 光 栅 结 构 ， 但 对 应 的 周 期 较 之 前 小 且 槽 的 深 宽 比 增 大 。对 薄 膜 光 栅 ， 反 演 所 得 结 果 在 10 微 米 处 产 生 了 发 射 峰 ， 并 能 在 大 角 度 范 围 内保 持 高 发 射 率 ， 其 产 生 机 理 也 是 由 于 MP 的 作 用 。 对 薄 膜 光 栅 的 几 何 变 量 进 行 分析 可 知 激 发 MP 的 波 长 与 金 属 条 宽 度 表 现 出 线 性 关 系 。 基 于 这 一 特 点 ， 本 文 对 复合 薄 膜 光 栅 和 多 层 薄 膜 光 栅 进 行 了 优 化 设 计 ， 均
6、得 到 了 10 微 米 附 近 的 宽 发 射 峰 ，等效带宽显著增加。复合薄膜光栅在一个周期内包括几个宽度不同的金属条，多层 薄 膜 光 栅 各 层 宽 度 不 同 ， 两 者 宽 峰 的 产 生 机 理 均 可 归 结 为 多 个 MP 的 相 互 聚 集 。同时，本文反设计了双 片薄膜光栅和重叠式薄 膜光栅，并分析了两者 在金属条 移 动 过 程 中 辐 射 特 性 的 变 化 。 前 者 在 金 属 条 移 动 过 程 中 发 射 峰 由 10 微 米 移 动 到8.5 微 米 ， 但 发 射 峰 高 度 逐 渐 降 低 ， 角 度 依 赖 性 增 加 。 后 者 实 现 了 发 射
7、 峰 由 7 微 米到 12 微 米 的 移 动 ， 移 动 过 程 中 发 射 峰 高 度 变 化 不 大 ， 且 均 能 在 大 角 度 范 围 内 保 持高 发 射 率 。关键词：光栅反问题；严格耦合波分析；遗传算法；槽型光栅；薄膜光栅；发射峰 移 动I哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractMicro/nano scale grating exhibits wavelength-selective property whenelectromagnetic wave is incident onto its surface. Based on this
8、property, it is widelyused for tailoring radiative properties. Under the background of aircraft thermalcontrolling, the thesis inversely designs grating emitters, the aim of which is to have anemittance peak and a broad one if possible at wavelength 10m. And inverse designingof gratings needs combin
9、ing both the forward and the inverse problem methods. Thisthesis uses rigorous coupled wave analysis as forward problem method and geneticalgorithm as inverse problem method. Groove gratings, thin film gratings and movablegratings that can shift the emittance peak are analyzed in the thesis.Groove g
10、ratings include rectangular grating and dual groove grating. After inverseanalysis, both of them can achieve emittance peak at wavelength 10m along thenormal direction when subjected to transverse magnetic (TM) wave. And its mechanismcan be attributed to the excitation of magnetic polaritons (MP) in
11、 the deep groove.However, with the increasing of zenith angle, excitation of surface plasma polaritons(SPP) intervenes MP, which makes the emittance peak shifts to longer wavelengths anddisappear gradually. This problem can be solved by including angle in the objectivefunction, but the corresponding
12、 grating period is relatively smaller and the ratio ofgroove depth to width is greater.For thin film grating after inverse designing, an angle-independent emittance peakis achieved at wavelength 10m, the mechanism of which is also attributed to magneticpolaritons. The thesis gives an analysis of the
13、 grating parameters and finds that thewavelength to excite MP is linearly proportional to the width of metal strip. By virtue ofthis property, the thesis gives an optimization of complex thin film grating andmulti-layer thin film grating. Both achieve broad emittance peaks and large effectivebandwid
14、th due to the collective effect of several MPs. The former includes multi-sizedmetal strips in one period while the latter has several layers with different width.Also, the thesis inversely designs double-strip thin film grating and overlappingthin film grating and analyzes the changing of the radia
15、tive properties with the lateralshift of the metal strip. The former has an emittance peak shift from 10m to 8.5m, butthe emittance decreases gradually and becomes angle-dependent. The latter has a peakshift from 7m to 12m and the emittance peak keeps high and angle-independent.Keywords: Inverse problem of grating, Rigorous coupled wave analysis, Geneticalgorithm, Groove grating, Thin film grating, Emittance peak shiftII哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 . IAbstract. II第 1 章 绪
