一种基于表面等离子体极化激元的热波导及其应用

本发明属于表面等离子体极化激元应用于热能传播的，尤其涉及一种基于表面等离子体极化激元的热波导，应用于热波的调控。

背景技术：

1、在一定温度下的物质以电磁热辐射的形式向各个方向辐射热量，因此热辐射是自然界普遍存在的特征。长期以来，热辐射的操纵一直是一个值得关注的话题，因为它对电子、光学、纳米和热器件等一系列研究至关重要。热辐射是物质在0.1-100μm的波长范围内，在任何有限温度下发出的电磁辐射，包括一部分紫外线(uv)、整个可见光和红外(ir)范围。已有研究提出了应用等离子体光学的方法来控制热辐射。

2、等离子体光学是当光子入射到介质与金属纳米结构界面时，会与金属中的自由电子相互作用形成集群振荡，其载体称为表面等离子体(surface plasmons，简称sps)，sps是一种表面局域电磁波，由于其传播特性依赖于金属纳米结构，所以它是一种在纳米尺度上控制电磁波传输的有效途径，因此可将sps应用在纳米器件、纳米电子器件和纳米传感器中操纵电磁能量。

3、当表面等离子体与光子耦合时产生表面等离子体激元，即电磁波沿着金属-介质界面传播会产生表面等离子体极化激元(surface plasmon polaritons，简称spp)效应，金属界面的自由电子振荡与光波电磁场耦合后，使该界面处的电磁波效果增强。将其应用于热辐射控制，因为其鲁棒干扰和耦合效应可以为控制近场辐射传热提供一个很好的通道，即校正两种介质粒子之间的辐射热流，单层拓扑绝缘体的热管理，极化开关，扭转诱导的传热控制，角选择热发射，用于热光伏器件的高温窄带近场发射器，优良的相干热发射和增强的辐射传热增强。这些表面波可以通过同样的方式沿着金属-介质界面传播，就像光可以由光纤引导一样，因此spp为控制热量传输提供了方法。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体极化激元的热波导及其应用，基于特定光子在金属-介质相互作用产生的spp效应，提出了一种金属-空气介质-金属波导，以控制热辐射在设计热波导内的传播。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于表面等离子体极化激元的热波导，包括：

4、波导芯，所述波导芯为介电材料；

5、包裹在所述波导芯外的空气间隙层；

6、包裹在所述空气间隙层外的波导包层，所述波导包层为金属薄膜；

7、所述波导芯内的热量在所述空气间隙层内向外发出电磁热辐射，所述电磁热辐射在所述金属-空气界面发生等离极化激元效应，限制电磁热辐射向波导两侧泄露而使其沿所述热波导轴向传输。

8、优选地，所述波导包层为贵金属材料。

9、优选地，所述波导包层的材料为金或铂或银等。

10、优选地，所述电磁热辐射包括波长为0.4-2.0μm的热波。

11、优选地，所述空气间隙层的厚度为0.5-2.5μm。

12、优选地，所述波导芯的材料为介质材料。

13、基于相同的发明构思，上述的基于表面等离子体极化激元的热波导应用与热波的调控。

14、本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

15、本发明提供的基于表面等离子体极化激元的热波导，包括介电材料构建的波导芯，波导芯外包裹着空气间隙层，空气间隙层外包裹着金属薄膜构建的波导包层，使该热波导形成金属-空气介质-金属(mdm)波导，介电材料的波导芯的热能在空气间隙层向四周辐射电磁热波，电磁热波入射到波导包层的内表面，即空气介质-金属界面，金属界面产生自由电子的集体振荡波，这些自由电子振荡波沿介质-金属界面传输，由于自由电子振荡波由表面电荷组成，在金属-空气介质界面产生spp效应，导致表面电场的巨大富集，宽度大于热波在波导包层中的穿透深度，因此热波在空气介质与波导包层的界面处发生全反射器，减少波导包层厚度方向的热量传输，使热波在空气间隙层增强并约束在空气间隙层中，沿热波导的轴向传播。

技术特征：

1.一种基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，所述波导包层为贵金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，所述波导包层的材料为金或铂或银。

4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，所述电磁辐射包括波长为0.4-2.0μm的热波。

5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，所述空气间隙层的厚度为0.5-2.5μm。

6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体极化激元的热波导，其特征在于，所述波导芯的材料为介质材料。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的基本表面等离子极化激元的热波导的应用，其特征在于，可应用于热波的调控。

技术总结本发明公开了一种基于表面等离子体极化激元的热波导及其应用，该热波导包括波导芯、空气间隙层和波导包层，所述波导芯为介电材料，空气间隙层包裹在波导芯外，波导包层包裹在空气间隙层外，波导包层为金属薄膜。通过电磁场与金属薄膜内电子等离子体振荡的耦合来限制波导芯内的热辐射流动。本发明的波导模型增强了波导核心内的电磁热辐射，而金属波导包层中的等离子体激元激励阻止了电磁辐射流出热波导。因此本发明提供的热波导能够将热辐射限制在波导内沿波导轴向传播，实现了热波的调控。技术研发人员：刘景泰,姜淳受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29