热辐射作为生活中常见而易被忽略的一种现象,在隐身、热管理、能源利用以及红外检测等军用和民用领域发挥着重要的作用。近年来,随着微纳光子学的飞速发展,法布里-珀罗光学腔、光栅、光子晶体以及超表面等微纳结构的研究愈发成熟,人们将这些结构应用到热辐射中,在提高了器件集成度的同时,为热辐射的光谱和空间调控提供了更多的选择度和自由度。目前的研究大部分采用了金属材料,存在着光学损耗高、宽带辐射的缺点。作为金属的替代品,极化材料为一种工作在红外和太赫兹波段的新型材料,在剩余射线带(介电常数小于零时对应的波段)内表现为类似于金属的特性,内部的声子具有寿命长、光学损耗低的特点,使得窄带热辐射器的研究实现了突破性进展,另外,极化材料特有的超强亚波长局域能力,使得微纳结构的尺寸大大降低。然而,由于极化材料内部存在着丰富的模式,因此基于极化材料的热辐射器往往伴随着复杂且不必要的寄生辐射峰,能量无法得到有效的利用。另外,以往提出的窄带热辐射器存在着厚度太大或者加工过程过于繁琐的问题。最后,基于极化材料的热辐射器仍然停留在静态调控的范畴,人们只能通过二次设计和加工来改变其光学特性,然而现有的电学调控、光学调控、机械调控以及磁学调控方法普遍存在易失性的特点。基于上述需求,本论文依托两种极化材料-各向同性极化材料SiC和各向异性极化材料α-MoO3,从辐射光谱的静态调控和动态调控两个方面入手,设计和加工了相应功能的热辐射器件,从理论和实验两个角度进行了阐述论证。1.在基于各向同性极化材料SiC的热辐射光谱静态调控方面,提出了一种单峰窄带热辐射器的设计方案。我们将SiC和周期性排列的金属Au光栅相结合,一方面依靠SiC光学损耗低的特性提供窄带的光谱输出,另一方面依靠Au光栅对SiC表面的电荷进行重新分布,激发了横向偶极子模式,实现了 2.5-25μm宽光谱范围内的单峰窄带热辐射输出,抑制了剩余射线带两端的寄生峰,提高了能源利用效率,该器件的辐射中心波长在11.2μm附近,辐射率高达0.94,品质因子约为19;同时,我们将上层的Au替换为耐高温材料Mo,工作温度可提高至600℃。该结构为新型的红外探测、热光源和热光伏系统提供了一种设计思路。2.在基于各向异性极化材料α-MoO3的热辐射光谱静态调控方面,提出了一种超薄型窄带热辐射器的设计方案。设计了一种α-MoO3和金属Au反射镜组成的双层膜结构,α-MoO3在三个晶向上呈现不同的晶格振动,垂直晶向z[010]上,在9.9 μm处(光学纵波频率附近)激发了 Berreman模式,此时介电常数接近零,品质因子高达164;水平晶向x[100]和y[001]上,激发了光学横波声子模式和法布里-珀罗谐振腔模式,两种模式的中心波长由晶向决定;上述模式在1°到60°内的宽角度范围内可以维持稳定的辐射性能。同时,器件满足了超薄(几百纳米量级)和加工简单(薄膜沉积和机械剥离)的需求。Berreman模式与光学横波声子模式/法布里-珀罗谐振腔模式可以分别作为测量波长和参考波长被应用于臭氧的非散射式红外气体探测技术中,同时,α-MoO3在水平方向上的天然双折射特性为平面型的辐射偏振控制器件提供了可能。3.在基于各向同性极化材料SiC的热辐射光谱动态调控方面,提出了一种可调热辐射器的设计方案。我们将SiC和红外光学性质可变的相变材料GST薄膜结合,通过热学手段控制GST从非晶态向中间态再向晶态转变,实现了辐射率在11.1μm到12.5μm的波段范围内从0.3到1之间的动态连续可调,消光比最高可达到10.7dB,该辐射性能不随角度改变。同时,GST的非易失性使得器件不需额外激励源维持,大大减小了器件的功耗。该结构在红外隐身、主动热管理及热光源方面有着很强的应用潜力。在最后,我们提出了更多可能的研究方向,同时,对基于极化材料的热辐射器的发展和应用进行了分析和展望。