一维微结构光栅辐射特性的反设计方法

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,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。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 正、反问题算法及目标函数的建立

2.1 正问题算法: 严格耦合波分析

2.2 反问题算法：遗传算法

2.3 目标函数的建立

2.4 小结

第3章 槽型光栅辐射特性的反设计

3.1 矩形光栅

3.2 双槽光栅

3.3 角度对槽型光栅发射率的影响

3.4 小结

第4章 薄膜类光栅辐射特性的反设计

4.1薄膜光栅

4.2 薄膜光栅辐射特性的单变量分析

4.3 复合薄膜光栅

4.4 多层薄膜光栅

4.5 小结

第5章 可移动光栅对辐射特性的调控

5.1 双片薄膜光栅

5.2 重叠式薄膜光栅

5.3 小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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