一种红外窄带辐射源及其制备方法与流程

本发明涉及功能材料领域，涉及一种红外窄带辐射源及其制备方法，尤其涉及一种可集成的、波长可调红外窄带辐射源及其制备方法。

技术背景

红外辐射源，也称红外光源，在气敏探测、光电特征标识和新型红外光谱仪等方面存在广泛的应用。气敏传感器的核心组件是红外辐射源和红外探测器，通过红外辐射源辐射的特定波长的红外光，如果这些波长对应于气体的本征吸收带，则会被吸收，红外探测器检查的光信号就会减弱，通过这种变化来检测气体。由于不同气体对应于不同的本征吸收带，红外辐射源波长需要灵活调节，而且气体的本征吸收带很窄，只有纳米量级，对红外窄带辐射源带宽具有很高的要求，需要带宽很窄的红外光源作为发射源。红外光谱仪主要包含三大要素，红外光源、分光器件和红外探测器。传统的红外光谱仪中的红外光源，构成光谱仪时需借助分光系统，但红外波段的分光系统效率很低，需要占有很大空间，无法满足系统小型化趋势要求。因此，研制成本低廉，性能优良，波长可调节的微型红外窄带辐射源，成为了红外应用领域的研究热点。目前可供选择的红外光源主要有四种:微电子机械系统(MEMS)红外窄带辐射源、量子级联红外激光器、红外发光二极管和热辐射红外光源。

MEMS红外窄带辐射源。与传统红外辐射源相比，采用微电子机械系统加工技术制备的红外辐射源具有体积小、功耗低、可调制等优点；然而，由于其需要采用多次微纳加工，制备过程复杂，成本高，重复性和良率难以保证。量子级联激光器可以发射高强度的窄带光谱，并且可以实现快速调制，但是量子级联激光器制造技术复杂、制作成本非常高。目前，这类激光器的制备技术尚不成熟，且制作成本非常高，因此这种激光器性能还不足以达到广泛的实用化水平。红外发光二极管发射的波长短，强度低。发射的波长通常小于5微米，其辐射功率只有几个微瓦，因而大大限制了它的适用范围。传统热辐射红外光源是一种宽谱光源，调制特性差。通常为体辐射光源，需要另外加设机械斩波器以实现光源的调制输出特性，因此体积庞大，使用不便。

针对上述传统红外光源存在的问题，本发明公开了利用金属-介质耦合腔以增强金属对光的吸收，并通过介质DBR选模的红外窄带辐射源及其制备方法。

技术实现要素：

本发明公开了一种红外窄带辐射源及其制备方法，结构示意图如图1所示。包括介质布拉格反射镜1、介质腔层2、金属层3和衬底4；介质腔层2和金属层3之间可以选择生长匹配层；介质布拉格反射镜1上可选择加盖保护层。该红外窄带辐射源工作波长可覆盖短波(1.1～3μm)、中波(3～6μm)乃至长波(6～15μm)红外波段；辐射发射率ε可高达100％。

所述的金属层3可以是金、银、铜、铝、钨、钽、铼等金属材料的一种，金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度；所述的介质腔层2为锗、硅、硫化锌或一氧化硅等在辐射波段具有弱吸收性质的半导体或化合物材料，腔层厚度取决于材料的折射率和辐射源的工作波长；所述的介质布拉格反射镜1由辐射波段弱吸收的高折射率和低折射率材料交替生长形成，如锗、硅与硫化锌、一氧化硅、氧化铪之间任意一组搭配组合。

介质布拉格反射镜的设计原则如下：

1)选取材料。根据红外窄带辐射源的辐射波段，选择在这一波段弱吸收的高折射率和低折射率介质材料作为介质腔和介质布拉格反射镜高、低折射率材料；例如高、低折射率介质材料在短波红外波段可分别选为氧化铪、二氧化硅，中波红外可分别选取硅、一氧化硅，长波红外则可分别选为锗和硫化锌、硒化锌等。

2)选定参考波长。红外窄带辐射源所需辐射处波长中心位置作为介质布拉格反射镜参考波长。

3)光学厚度确定。高折射率材料和低折射率材料的光学厚度设为选定波长的1/4，如此即可实现布拉格反射镜。

所述的匹配层可以是铬或钛或镍，用于实现介质腔层(2)和金属层(3)之间应力匹配，增强粘附性；所述的保护层可以是如氮化硅、二氧化硅等耐腐蚀抗氧化材料，用于保护易氧化的介质腔层(2)和介质布拉格反射镜(1)，使其不易氧化变性，并可实现减反增透效果。

该红外窄带辐射源工作的基本原理是，由基尔霍夫热辐射定律可知，在热平衡条件下，物体热辐射的发射率ε等于在同温度下物体的吸收率A，因此，如何实现高效窄带超吸收是该工作的关键，该器件在结构上通过优化设计后，针对相应工作波长，系统的辐射耦合因子与本征损耗因子相等，体系对该波长的光波反射率为零，由于底层是厚度远大于光波穿透深度的金属层，因此透射率也为零；又由于金属层3、介质腔层2和介质布拉格反射镜1之间所形成的高品质因子光学微腔，只有相应的窄带宽工作波长可以被共振束缚在腔内，且随着时间的推移逐渐被体系的本征损耗所消耗吸收。当体系加热后，该高效窄带超吸收体将辐射出相应窄带红外光。

本发明公开了一种红外窄带辐射源，其制备方法如下：

1)膜系设计。利用膜系设计工具如Coating Designer(CODE)、Thin film Calculator(TFC)等设计膜系，膜系自上而下依次是介质布拉格反射镜1、介质腔层2、金属层3和衬底4。为了使得膜系透过率为0，金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度。其中金属层和介质布拉格反射镜之间可以插入匹配层，使得它们应力匹配，而介质布拉格反射镜上可以选择覆盖保护层。通过调节介质腔层2和介质布拉格反射镜1光学厚度来调整窄带辐射峰峰位。

2)通过蒸发或者溅射的方法制备金属薄膜，可以采用磁控溅射、电子束蒸发、双离子束溅射等方法的一种来制备金属薄膜。为了使得膜系透过率为零，金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度，金属薄膜应当具有红外宽带高反效果；

3)根据步骤1)膜系设计的结果，可以选择在金属薄膜上制备匹配层，如铬或钛或镍，可以采用磁控溅射、电子束蒸发、双离子束溅射等方法制备铬或钛或镍薄膜，其厚度在1～20nm之间，优选5～8nm，既可以保证原有金属薄膜高反特性，又可大大增加介质层与金属层之间粘附性。

4)根据步骤1)膜系设计的结果，通过蒸发或者溅射的方法制备介质腔层和介质布拉格反射镜。可以通过磁控溅射、双离子束溅射、电子束蒸发来制备介质腔层和介质布拉格反射镜，通过晶控或者光控来控制各层介质薄膜的厚度。通过调整布拉格反射镜与介质腔层的厚度可以调整辐射峰的波长。

5)根据步骤1)膜系设计的结果，可以选择在膜系上制备保护层，如氮化硅、二氧化硅等。

6)上述窄带红外辐射光源衬底可选硅、锗、或者二氧化硅等常规材料,也可以根据不同的需求选择不同的衬底，例如可选取聚四氟乙烯等具有柔性特质的材料作为衬底，这样设计制备的样品可弯曲，实现曲面辐射光源。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、峰值辐射率高。采用本发明公开的结构后，红外窄带辐射源的峰值辐射率ε可达100％，并且其具有大面积优势，辐射功率与面积成正比。

2、单色性好。采用金属和介质布拉格反射镜共振耦合的结构，只有特定波长的光可以被吸收或者辐射出来。

3、波长可调。利用介质腔层厚度和介质布拉格反射镜厚度可以灵活调节辐射峰位，辐射峰位可以在1.1～15.0μm波段任意调节，以满足不同应用需求。

4、结构简单，易于大面积制备。不同于光子晶体辅助和等离激元辅助红外窄带辐射源的三维结构，本发明公开的红外窄带辐射源是一种一维结构，仅通过镀膜的方法就可以实现，并且可以制备大面积样品，实现高功率红外窄带辐射。

5、可制备在柔性衬底上。本发明公开的红外窄带辐射源可以制备在柔性衬底上，可以随着衬底弯曲，可以根据应用需求调节空间辐射场分布。

附图说明

附图1为红外窄带辐射源结构示意图。

附图2为实施例1中红外窄带辐射源的辐射谱。

附图3为实施例2中红外窄带辐射源的辐射谱。

具体实施方式

为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

实施例1：

中波红外窄带辐射源。本实例选取Si片为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面镀制金膜，再镀上介质布拉格反射镜膜系，最后进行测试表征样品性能。具体实施步骤如下：

1、衬底清洗。将Si片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干，放入镀膜腔中。

2、镀制200nm金属金薄膜。将Si片放入双离子束溅射设备中，镀制200nm金属金膜之后将样品取出。

3、镀制介质腔层和介质布拉格反射镜。将样品薄膜置于莱宝光学高真空镀膜系统中，将镀膜腔抽空到10^-5Pa，镀膜温度为150℃，先镀制介质腔层SiO，厚度为99nm。然后镀制介质布拉格反射镜膜系Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)。待腔体内温度降低到80℃以下，取出样品。

4、样品性能测试。将样品加热到200℃，使用布鲁克傅里叶光谱仪测试样品辐射谱，样品辐射谱如图2所示。此膜系是良好红外辐射源，辐射峰位位于3135nm，半高全宽74nm。

实施例2：

长波红外窄带辐射源。本实例为衬底聚四氟乙烯薄片，首先进行衬底清洗，接着在其表面镀制金膜，然后镀上介质布拉格反射镜膜系，最后测试表征样品性能。具体实施步骤如下：

1、衬底清洗。将聚四氟乙烯薄片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干，放入镀膜腔中。

2、镀制200nm金属金薄膜。将聚四氟乙烯薄片放入双离子束溅射设备中，镀制200nm金属金膜之后将样品取出。

3、镀制布拉格反射镜。将样品薄膜置于莱宝光学高真空镀膜系统中，将镀膜腔抽空到10^-5Pa，镀膜温度为150℃，先镀制介质腔层Ge，厚度为187nm。然后镀制介质布拉格反射镜膜系Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|。待腔体内温度降低到80℃一下，取出样品。

4、样品性能测试。将样品加热到200℃，使用布鲁克傅里叶光谱仪测试样品辐射谱，样品辐射谱如图3所示。此膜系是良好红外辐射源，辐射峰位位于8114nm，半高全宽140nm。并且这一红外窄带辐射源采用聚四氟乙烯薄片作为衬底，衬底为柔性衬底，可弯曲，实现曲面辐射源。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。