Broadband reflectivity and emissivity engineering using patterned surfaces

Abstract

Geniş bant spektrumunda yüksek yansıtma özelliğine sahip termomekanik olarak üstün malzemelerden oluşan optik kaplamalar son zamanlarda dikkat çekmiştir. Tungsten (W), diğer VIB grubu malzemeleri arasında, yüksek termomekanik kararlılık gerektiren uygulamalar için uygundur ancak 1,5 µm'nin altında düşük yansıtıcılığa sahiptir. Bu tez, geniş bantlı bir spektrumunda Tungsten'in absorpsiyonunu azaltan desenli çok katmanlı Nano yapıları optimize etmek için tasarım yöntemleri önermeyi hedeflenmektedir. Önerilen ilk tasarım, Morpho kelebek kanatlarında gözlemlenen desenlerden ilham almıştır, ve geniş bir spektrumda W'nin yansıtıcılığını arttırır. Birinci aşamada, geniş bant spektrumu üzerinde homojen çok tabakaların sayısını ve kalınlığını optimize etmek için empedans uyumsuzluk yöntemi uygulanmıştır. Daha sonra önerilen desen homojen yapıya dahil edildi. İkinci yapı için, ilk tasarımda Tungsten üzerine yığılmış SiO2/TiO2 katmanların kalınlığı ve sayısı optimize edildikten sonra girişim etkilerinin neden olduğu dip noktalarında yansımayı arttıran delikler oluşturmak için tersine tasarım yaklaşımı kullanılmıştır. Her iki yapı için de farklı tasarım parametreleri incelenmiştir. Optik fenomenlerin kökeni açıklanmıştır ve imalattan kaynaklı safsızlıkların etkisi hesaba katılmıştır. Önerilen yapılar ve yöntemler çeşitli optik uygulamalarında kullanılabilir.

Optical coatings composed of thermomechanically superior materials with high reflectance in the broadband spectrum have recently attracted attention. Tungsten (W), among other refractory metals, suits well for applications that require high thermomechanical stability but suffer from low reflectivity below 1.5 µm. This thesis aims to propose design methods to optimize patterned multi-layer nanostructures that lower Tungsten's absorption over a broadband spectrum. The first proposed design mimics the patterns observed on Morpho butterfly wings and increases the reflectivity of W over a broad spectrum. At the initial stage, the impedance mismatch method is implemented to optimize the number and thickness of the homogeneous multi-layers over the broadband spectrum. Then, the proposed pattern is incorporated into the homogenous structure. For the second structure, after optimizing the thickness and number of SiO2/TiO2 layers stacked on Tungsten as the initial design, the inverse design approach is utilized to construct holes that increase reflectivity in the dip points caused by interference effects. Different design parameters are studied for both structures, the origin of optical phenomena is explained, and the effect of fabrication impurities is taken into account. The proposed structures and methods can be used in various optical applications.