[發(fā)明專利]一種紅外窄帶輻射源及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611059137.X
• 申請(qǐng)日: 2016-11-25
• 公開（公告）號(hào): CN106768352B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王少偉;郝加明;劉星星;李志偉;李華芬;許昊;陸衛(wèi);文政績(jī);戴寧;陳效雙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G01J5/00
• 分類號(hào): G01J5/00
• 代理公司: 31213 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭英<國際申請(qǐng)>=<國際公布>=<進(jìn)入國

本發(fā)明公開了一種紅外窄帶輻射源及其制備方法。該輻射源由多層膜結(jié)構(gòu)組成，包括金屬層、介質(zhì)腔層和介質(zhì)布拉格反射鏡。介質(zhì)腔層厚度和介質(zhì)布拉格反射鏡的厚度可以調(diào)節(jié)紅外窄帶輻射源的輻射中心波長(zhǎng)。膜系的制備方法可以采用磁控濺射、離子束濺射、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、脈沖激光沉積、原子層沉積等其中的一種或者多種組合。這種紅外窄帶輻射源具有高輻射率，峰值輻射率接近100％，Q因子可達(dá)140以上、單色性好等突出性能優(yōu)勢(shì)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于大面積制備、波長(zhǎng)可調(diào)、可制備在柔性襯底上等一系列優(yōu)點(diǎn)，在紅外窄帶光源、氣敏探測(cè)器、光電特征標(biāo)識(shí)和新型紅外光譜儀上有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域，涉及一種紅外窄帶輻射源及其制備方法，尤其涉及一種可集成的、波長(zhǎng)可調(diào)紅外窄帶輻射源及其制備方法。

技術(shù)背景

紅外輻射源，也稱紅外光源，在氣敏探測(cè)、光電特征標(biāo)識(shí)和新型紅外光譜儀等方面存在廣泛的應(yīng)用。氣敏傳感器的核心組件是紅外輻射源和紅外探測(cè)器，通過紅外輻射源輻射的特定波長(zhǎng)的紅外光，如果這些波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于氣體的本征吸收帶，則會(huì)被吸收，紅外探測(cè)器檢查的光信號(hào)就會(huì)減弱，通過這種變化來檢測(cè)氣體。由于不同氣體對(duì)應(yīng)于不同的本征吸收帶，紅外輻射源波長(zhǎng)需要靈活調(diào)節(jié)，而且氣體的本征吸收帶很窄，只有納米量級(jí)，對(duì)紅外窄帶輻射源帶寬具有很高的要求，需要帶寬很窄的紅外光源作為發(fā)射源。紅外光譜儀主要包含三大要素，紅外光源、分光器件和紅外探測(cè)器。傳統(tǒng)的紅外光譜儀中的紅外光源，構(gòu)成光譜儀時(shí)需借助分光系統(tǒng)，但紅外波段的分光系統(tǒng)效率很低，需要占有很大空間，無法滿足系統(tǒng)小型化趨勢(shì)要求。因此，研制成本低廉，性能優(yōu)良，波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)的微型紅外窄帶輻射源，成為了紅外應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前可供選擇的紅外光源主要有四種:微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)紅外窄帶輻射源、量子級(jí)聯(lián)紅外激光器、紅外發(fā)光二極管和熱輻射紅外光源。

MEMS紅外窄帶輻射源。與傳統(tǒng)紅外輻射源相比，采用微電子機(jī)械系統(tǒng)加工技術(shù)制備的紅外輻射源具有體積小、功耗低、可調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)；然而，由于其需要采用多次微納加工，制備過程復(fù)雜，成本高，重復(fù)性和良率難以保證。量子級(jí)聯(lián)激光器可以發(fā)射高強(qiáng)度的窄帶光譜，并且可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)制，但是量子級(jí)聯(lián)激光器制造技術(shù)復(fù)雜、制作成本非常高。目前，這類激光器的制備技術(shù)尚不成熟，且制作成本非常高，因此這種激光器性能還不足以達(dá)到廣泛的實(shí)用化水平。紅外發(fā)光二極管發(fā)射的波長(zhǎng)短，強(qiáng)度低。發(fā)射的波長(zhǎng)通常小于5微米，其輻射功率只有幾個(gè)微瓦，因而大大限制了它的適用范圍。傳統(tǒng)熱輻射紅外光源是一種寬譜光源，調(diào)制特性差。通常為體輻射光源，需要另外加設(shè)機(jī)械斬波器以實(shí)現(xiàn)光源的調(diào)制輸出特性，因此體積龐大，使用不便。

針對(duì)上述傳統(tǒng)紅外光源存在的問題，本發(fā)明公開了利用金屬-介質(zhì)耦合腔以增強(qiáng)金屬對(duì)光的吸收，并通過介質(zhì)DBR選模的紅外窄帶輻射源及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種紅外窄帶輻射源及其制備方法，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。包括介質(zhì)布拉格反射鏡1、介質(zhì)腔層2、金屬層3和襯底4；介質(zhì)腔層2和金屬層3之間可以選擇生長(zhǎng)匹配層；介質(zhì)布拉格反射鏡1上可選擇加蓋保護(hù)層。該紅外窄帶輻射源工作波長(zhǎng)可覆蓋短波(1.1～3μm)、中波(3～6μm)乃至長(zhǎng)波(6～15μm)紅外波段；輻射發(fā)射率ε可高達(dá)100％。

所述的金屬層3可以是金、銀、銅、鋁、鎢、鉭、錸等金屬材料的一種，金屬層膜厚遠(yuǎn)大于輻射源向金屬內(nèi)傳播的穿透深度；所述的介質(zhì)腔層2為鍺、硅、硫化鋅或一氧化硅等在輻射波段具有弱吸收性質(zhì)的半導(dǎo)體或化合物材料，腔層厚度取決于材料的折射率和輻射源的工作波長(zhǎng)；所述的介質(zhì)布拉格反射鏡1由輻射波段弱吸收的高折射率和低折射率材料交替生長(zhǎng)形成，如鍺、硅與硫化鋅、一氧化硅、氧化鉿之間任意一組搭配組合。

介質(zhì)布拉格反射鏡的設(shè)計(jì)原則如下：

1)選取材料。根據(jù)紅外窄帶輻射源的輻射波段，選擇在這一波段弱吸收的高折射率和低折射率介質(zhì)材料作為介質(zhì)腔和介質(zhì)布拉格反射鏡高、低折射率材料；例如高、低折射率介質(zhì)材料在短波紅外波段可分別選為氧化鉿、二氧化硅，中波紅外可分別選取硅、一氧化硅，長(zhǎng)波紅外則可分別選為鍺和硫化鋅、硒化鋅等。