journal-opt - abstr83-88

https://doi.org/10.15407/iopt.2021.56.083

Optoelectron. Semicond. Tech. 56, 83-88 (2021)

V. P. Maslov, V. О. Morozhenko, N. V. Kachur

INVESTIGATION OF THERMAL RADIATION ANGULAR AND POLARIZATION CHARACTERISTICS OF ONE-DIMENSIONAL PHOTONIC STRUCTURES ON A FINITE SUBSTRATE

One-dimensional photonic structures (PS) are the layered metamaterials, which optical properties are due to interference effects within the structure. Due to the interaction of electromagnetic waves with the periodic structure, the thermal radiation (TR) of such PS has the features of coherent: it has a selective spectrum and a petal pattern. The relevance of TR PS research is due to the search for new materials to create sources of infrared (IR) radiation in the middle and far IR range (with a wavelength > 5 μm). The second important area of application of the radiating properties of the PS is the creation of non-radiating coatings to remove unwanted TR from the heated surfaces of the IR devices. Despite the fact that the irradiative properties of PS have been studied quite well, in the literature insufficient attention is paid to the influence of the finite substrate on the parameters of TR structures. The influence of a finite incoherent substrate on the angular and polarization characteristics of the thermal radiation of the system (photonic structure)/substrate has been investigated. Systems consisting of plane-parallel Ge or Si plates as PS and incoherent BaF₂, BaF₂/Al and Al substrates were used in experimental studies. It has been established, the contrast and amplitude of the directional diagram petals of the TR system depend on the ratio of the optical characteristics of the photonic structure and the substrate. The presence of a strongly reflective substrate eliminates the difference between the angular dependences of the s- and p-polarized components of the TR. In the case when the PS is placed on a transparent incoherent substrate with a lower refractive index, there is an increase in the p-polarized component of the TR and the suppression of the s-polarized. The thermal imaging picture of the TR angular distribution of the Si/Al system has been recorded and it was experimentally proved that the TR of photonic systems exhibits circular patterns. The results of the work can be used in the development of narrowband emitters in the middle and far infrared range, coatings to increase radiation energy exchange and coatings with minimal emissivity that are invisible in the thermal range.

Keywords: one-dimensional photonic structures; thermal radiation; infrared devices.

PDF

References

1. Vasiljević D., Pavlović D., Lazović V., Kolarić B., Salatić B., Zhan W., Zhang D., Pantelić D. Thermal radiation management by natural photonic structures: Morimus asper funereus case. J. Therm. Biol. 2021. 98. P. 102932.

https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2021.102932

2. Li W., Fan S. Nanophotonic control of thermal radiation for energy applications, Opt. Express. 2018. 26. P.15995-16021.

https://doi.org/10.1364/OE.26.015995

3. Xu C., Qu S., Pang Y., Wang J., Yan M., Zhang J., Wang Z., Wang W. Metamaterial absorber for frequency selective thermal radiation, Infrared Phys. Technol. 2018. 88. P. 133-138.

https://doi.org/10.1016/j.infrared.2017.08.017

4. Fan S. Thermal Photonics and Energy Applications. Joule. 2017. 1. P. 264-273.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.07.012

5. Liu J., Guler U., Lagutchev A., Malis О., Boltasseva А., Shalaev V. M. Quasicoherent thermal emitter based on refractory plasmonic materials. Opt. Mater. Express. 2015. 5. P. 2721-2728.

https://doi.org/10.1364/OME.5.002721

6. Zhang Z. M., Wang L. P., Measurements and Modeling of the Spectral and Directional Radiative Properties of Micro/Nanostructured Materials, Int. J. Thermophys. 2013. 34. P.2209-2242.

https://doi.org/10.1007/s10765-011-1036-5

7. Wang L.P., Basu S., Zhang Z.M. Direct Measurement of Thermal Emission From a Fabry-Perot Cavity Resonator, J. Heat Transfer. 2012. 134. P. 072701.

https://doi.org/10.1115/1.4006088

8. Drévillon J., Joulain K., Ben-Abdallah P. Coherent thermal emission in midinfrared from a bilayer structure, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2011. 112. P. 1156-1161.

https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.08.031

9. Liu B., Shi J. M., Zhang J. K., Li Z. G., Z. Chen Sh., Deng X. S. Infrared stealth performance analysis of photonic crystal with high heat dissipation. Opt. Mater. 2021. 111. P. 110689.

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110689

10. Zhang W., Lv D. Preparation and characterization of Ge/TiO2 one-dimensional photonic crystal with low infrared-emissivity in the 8-14 μm band. Mater. Res. Bull. 2020. 124. P. 110747-1-110747-4.

https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2019.110747

11. Xu C., Wang B., Yan M., Pang Y., Meng Y., Wang W., Wang J., Fan Q., Qu S. An optically transparent sandwich structure for radar-infrared bi-stealth. Infrared Phys. Technol. 2020. 105. P. 103108.

https://doi.org/10.1016/j.infrared.2019.103108

12. Zhang Ji-Kui, Shi Jia-Ming, Zhao Da-Peng, Wang Qi-Chao, Wang Cheng-Ming. Realization of compatible stealth material for infrared, laser and radar based on one-dimensional doping-structure photonic crystals. Infrared Phys. Technol. 2017. 85. P. 62-65.

https://doi.org/10.1016/j.infrared.2017.05.018

13. Maslov V.P., Morozhenko V., Kachur N.V. Features of thermal radiation of one-dimensional photonic structures on an absorbing substrate. SPQEO, 2021 (u druku).

https://doi.org/10.15407/spqeo24.04.444

14. Harbecke B. Coherent and Incoherent Reflection and Transmission of Multilayer Structures. Appl. Phys. B. 1986. 39. P. 165-170.

https://doi.org/10.1007/BF00697414

15. Charalambos C., Siapkas K. I., Siapkas D. I. General transfer-matrix method for optical multilayer systems with coherent, partially coherent, and incoherent interference. Appl. Opt. 2002. 41. P. 3978-3987.

https://doi.org/10.1364/AO.41.003978

16. Morozhenko V.O., Maslov V.P., Bariakhtar I.V., Kachur N.V. Determination of the parameters of coherent magneto-optical layers on a finite absorbing substrate from thermal radiation spectra. SPQEO. 2020. 23. P. 400-407.

https://doi.org/10.15407/spqeo23.04.400

17. Kollyukh O.G., Morozhenko V. Angular and spectral peculiarities of coherent thermal radiation of the magneto-optical Fabry-Perot resonator in magnetic field. J. of Optics A. 2009. 11. P. 085503.

https://doi.org/10.1088/1464-4258/11/8/085503

18. Lee B.J., Fu C.J., Zhang Z.M. Coherent thermal emission from one-dimensional photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 2005. 87. P. 071904.

https://doi.org/10.1063/1.2010613

В. П. Маслов, В. О. Мороженко, Н. В. Качур

ДОСЛІДЖЕННЯ КУТОВИХ ТА ПОЛЯРИЗАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ОДНОМІРНИХ ФОТОННИХ СТРУКТУР НА СКІНЧЕННІЙ ПІДКЛАДИНЦІ

Одномірні фотонні структури (ФС) являють собою шаруваті метаматеріали, оптичні властивості яких обумовлені інтерференційними ефектами всередині структури. Завдяки взаємодії електромагнітних хвиль з періодичною структурою, теплове випромінювання (ТВ) таких ФС має особливості когерентного: має селективний спектр та пелюсткову діаграму спрямованості. Актуальність досліджень ТВ ФС обумовлена пошуком нових матеріалів для створення джерел інфрачервоного (ІЧ) випромінювання на середній та дальній ІЧ-діапазони (з довжиною хвилі >5 мкм). Другим важливим напрямком застосування випромінювальних властивостей ФС є створення невипромінюючих покриттів для усунення небажаного ТВ від нагрітих поверхонь ІЧ-приладів. Незважаючи на те, що випромінювальні властивості ФС досліджені досить добре, в літературі приділено недостатню увагу на вплив скінченної підкладинки на параметри ТВ структур.

В роботі досліджено вплив скінченної некогерентної підкладинки на кутові та поляризаційні характеристики теплового випромінювання системи (фотонна структура)/підкладинка. В експериментальних дослідженнях були використані системи, що складались із плоскопаралельних пластин Ge або p-Si у якості ФС та некогерентних підкладинок BaF₂, BaF₂/Al та Al. Встановлено, що контраст та амплітуда пелюстків діаграми спрямованості ТВ системи залежать від співвідношення оптичних характеристик фотонної структури та підкладинки. Було зафіксовано тепловізійну картину кутового розподілу ТВ системи Si/Al та експериментально доведено, що ТВ фотонних систем має кругову діаграму спрямованості. Результати роботи можуть знайти застосування при розробці вузькосмугових випромінювачів на середній та дальній інфрачервоний діапазони, покриттів для підвищення радіаційного теплообміну та покриттів з мінімальною випромінювальною здатністю, що невидимі в тепловому діапазоні.

Ключові слова: одновимірні фотонні структури; теплове випромінювання; інфрачервоні пристрої.

Back / Повернутися