專利名稱：一種寬頻帶空間相干熱輻射光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于太赫茲，紅外頻段具有高空間相干性的熱輻射光源。
背景技術：
物質由于分子或原子等的熱運動產生的自發輻射稱之為熱輻射，其輻射頻譜跟材料的性質和溫度有關。一切物體都在不斷的熱輻射，熱輻射最普遍的應用就是白熾燈。跟激光單色性和高定向性相比，人們一般認為熱輻射在時間和空間上都是非相干熱源，及輻射頻譜是相當寬帶，各個方向的輻射是各向同性。光譜分析中一般用到的光源為單色光，紅外激光光源能產生相干單色光，但是其造價昂貴，并且頻率一般不可調諧。因此一般利用光柵或者棱鏡對熱輻射光進行分光得到單色光。但是此方法結構復雜，成本昂貴，不利于小型化，單色性也受光柵分光的限制。熱輻射的空間相干性可以利用金屬材料或者半導體材料表面的表面等離極化激元模式控制。2002年，J.-J. Greffet等人在自然雜志上發表論文指出，通過在碳化硅的表面刻一層光柵，可以是具有相干性的表面等離極化激元模式和外場耦合，使碳化硅產生高定向的熱輻射模式，從而實現隨即熱源的相干輻射。但是自然界存在的金屬材料其等離子體振蕩頻率都在紫外，可見光波段，也有少數半導體材料的等離子體振蕩頻率在近紅外，不能實現任意頻率的相干熱輻射。本發明利用一種平面超薄結構實現磁諧振相干表面態，在表面形成一個低泄漏的磁表面等離極化激元模式，從而實現寬頻帶的相干熱輻射光源。不同頻率的輻射方向角不一樣，從而保證光源的單色性和高方向性。通過轉動光源的角度可以得到不同頻率的單色光波。相干性可以通過結構尺寸控制。
發明內容
本發明的目的是提供一種寬頻帶空間相干熱輻射光源，利用平面、超薄結構得到相干性熱輻射的光源。與現有半導體材料，或者金屬材料表面光柵結構實現的相干光源相比，本發明光源的熱輻射電磁波相干性可控，可達到220倍波長以上；工作頻帶可調，可用于實現太赫茲，紅外單色高方向性相干光源。本發明需要包含平面金屬結構層、介質層和下底板金屬層，下底板金屬層作為整個結構的支撐層和熱傳導層，介質層和平面金屬結構層由下往上依次疊在下底板金屬層上 本發明平面金屬結構層由金屬單元周期排列的一維或者二維陣列組成，周期大約為工作頻帶上帶邊的電磁波在介質中的波長，因此工作頻帶可以由周期和介質的介電常數調節，覆蓋整個太赫茲、紅外波段。金屬單元可以是金屬長條，也可以是金屬方塊、金屬長方塊、金屬圓片或金屬圓環等。由于工作頻率是在紅外，太赫茲波段，金屬表現為理想金屬，所以金屬單元可以是任何金屬。這種平面結構可以用金屬薄膜經過光刻等工藝完成。熱輻射的空間相干性通過調節光波與平面波的耦合系數控制，耦合系數由金屬單元之間的空氣縫隙決定，本發明采取小的空氣間隙(小于周期五分之一)得到高空間相干性熱輻射光波。本發明的下底板金屬層可通過電熱絲等方式加熱，溫度傳導到介質層。下底板金屬層和平面金屬結構層均為金屬，在太赫茲、紅外波段熱輻射能力很弱，但是金屬結構層、 介質層和下底板金屬層支持的高相干表面態能放大介質層電磁場，從而放大介質的熱輻射效應，理論上可達到黑體輻射水平。介質層具有微小電導率，可以是由半導體材料，或者普通介質(例如氧化硅材料)摻微量(1%左右)碳黑或者金屬納米顆粒實現。本發明的熱輻射光波在工作頻帶內不同的頻率具有不同的輻射方向角，通過旋轉樣品可以得到單色的高定向熱輻射光波。由于采用了上述方案，本發明具有以下特點1、由于本發明由上表面金屬結構層，介質層和下底板金屬層構成的低泄漏的相干磁諧振表面態控制熱輻射的相干性，介質中的波長大概為金屬結構層周期的0. 5 1. 5倍時產生相干熱輻射，因此頻率可由周期長度來調節，周期越大頻率越低，相反，周期越小頻率越低。2、由于本發明的相干磁諧振表面態通過上表面的金屬縫隙泄漏到自由空間，因此金屬縫隙寬度與周期比值的大小決定了相干長度的大小，該比值越小，相干長度越大。因此頻率和相干長度可以結構參數調控。頻率覆蓋太赫茲和紅外波段，相干長度可達到220倍波長。3、由于本發明所用的結構產生的磁諧振能大大增強介質層內的局域電磁場場強， 因此可以有效調控局域態密度，能使在特定頻譜范圍內輻射效率很低的常規介質板實現理想熱輻射，效率可達到理想黑體的輻射效率。4、本發明的熱輻射方向角由波長控制，不同波長的熱輻射方向角不同，可用于實現太赫茲和紅外相干熱輻射光源。5、本發明所用的結構均為平面結構，制作簡單，成本低廉。6、本發明所用的結構厚度為亞波長厚度，易于集成。
圖IA為本發明實施例的結構示意圖。圖IB為本發明實施例的金屬結構層示意圖。圖2為本發明實施例不同角度的吸收譜示意圖。圖3為本發明實施例在不同頻率的角度吸收譜示意圖。圖4為本發明時域有限差分法仿真的相干熱輻射方向圖GO. OTHz)。圖5為本發明時域有限差分法仿真的相干熱輻射方向圖(53. 5THz)。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。實施例本發明實施例為設計在30-60THZ的熱輻射平板結構。其結構示意圖如圖1所示， 其中上表面金屬結構層1采用周期排列的一維金屬光柵結構，由厚度為0. 2微米的鋁膜光刻而成。金屬長條的寬度為4微米，金屬長條和金屬長條的間距為0.2微米。均勻介質層
42采用摻雜氧化硅材料。純凈氧化硅介電常數低，光吸收很小，熱輻射效率低下；摻雜碳粉，可在保持其介電常數不變的情況下，增加其電導率，本實施例用到的氧化硅材料電導率為67s/m。下底板為金屬層3，與上表面金屬結構層1和介質層2產生磁諧振表面相干態， 也起到支撐整個結構的作用。單個介質層熱輻射效率很低，本發明的上表面金屬結構層，介質層和下底板金屬層能產生相干表面態，大大增強其熱輻射效率，圖2為本發明實施例對應不同角度的入射光吸收譜，可以看到在光正入射到此結構時，在Μ. 3THz頻率有一個高吸收峰，根據基爾霍夫定律，高吸收物體同時也是高熱輻射物體，因此此結構能大大增強介質層的熱輻射效率， 到理想黑體的熱輻射水平。同時此吸收峰對入射光的角度很敏感，圖3為本發明實施例在 40THz,54. 3THz時候角度吸收譜，圖中反映此吸收峰角度半高寬相當窄，也就是說此吸收峰具有高空間相干性。空間相干性可由縫隙大小控制，當保持周期，厚度等結構參數不變的情況下，金屬縫隙的大小由0. 2微米變為0. 1微米時，在40THz的紅外角吸收譜在30度左右的吸收峰半高寬由原來的2. 7度降低到1. 1度，相干性由原來的21倍波長增加到52倍波長。圖4和圖5為計算仿真的本發明實施例的熱輻射方向圖，與普通熱輻射光源相比， 其在40THz和54. 3THz的熱輻射方向圖具有高方向性，也就是具有高空間相干性，并且不同頻率的輻射方向角也不同，因此其結構作為紅外，太赫茲波段光源具有高空間相干性和單色性。本發明的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其熱輻射的空間相干性可達到220倍波長，可以實現寬頻帶范圍高效率的空間相干熱輻射，光波的輻射方向對波長很敏感，可用于實現太赫茲，紅外波段的空間相干光源，平面結構，厚度超薄，加工容易，成本低廉。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于其包括金屬結構層、介質層及下底板金屬層，下底板金屬層為支撐層和熱傳導層，介質層和平面金屬結構層由下往上依次疊在下底板金屬層上面。
2.如權利要求1所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述金屬結構層由金屬單元周期排列的一維或者二維陣列組成。
3.如權利要求2所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述金屬單元為金iM bv^^ ο
4.如權利要求2所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述金屬單元為金屬方塊、金屬長方塊、金屬圓片或者金屬圓環。
5.如權利要求2所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述金屬單元之間的空氣縫隙小于周期的五分之一。
6.如權利要求1所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述介質層具有微小電導率。
7.如權利要求6所述的寬頻帶空間相干熱輻射光源，其特征在于所述介質層為半導體材料，或者是普通介質摻微量碳黑或金屬納米顆粒。
全文摘要
一種寬頻帶空間相干熱輻射光源，其包括金屬結構層、介質層及下底板金屬層，下底板金屬層為支撐層和熱傳導層，介質層和平面金屬結構層由下往上依次疊在下底板金屬層上面。金屬結構層由金屬單元周期排列的一維或者二維陣列組成，本發明的金屬結構層、介質層和下底板金屬層構成的低泄漏的相干磁諧振表面態控制熱輻射的相干性，頻率可由周期長度來調節。且本發明的相干磁諧振表面態通過上表面的金屬縫隙泄漏到自由空間，使得金屬縫隙寬度與周期比值的大小決定了相干長度的大小。本發明結構簡單、制作方便、成本低廉、易于實現。
文檔編號H01K5/00GK102237258SQ20101016942
公開日2011年11月9日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者余興, 張冶文, 曹揚, 李宏強, 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請人:同濟大學