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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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。

2)選定參考波長(zhǎng)。紅外窄帶輻射源所需輻射處波長(zhǎng)中心位置作為介質(zhì)布拉格反射鏡參考波長(zhǎng)。

3)光學(xué)厚度確定。高折射率材料和低折射率材料的光學(xué)厚度設(shè)為選定波長(zhǎng)的1/4，如此即可實(shí)現(xiàn)布拉格反射鏡。

所述的匹配層可以是鉻或鈦或鎳，用于實(shí)現(xiàn)介質(zhì)腔層(2)和金屬層(3)之間應(yīng)力匹配，增強(qiáng)粘附性；所述的保護(hù)層可以是如氮化硅、二氧化硅等耐腐蝕抗氧化材料，用于保護(hù)易氧化的介質(zhì)腔層(2)和介質(zhì)布拉格反射鏡(1)，使其不易氧化變性，并可實(shí)現(xiàn)減反增透效果。

該紅外窄帶輻射源工作的基本原理是，由基爾霍夫熱輻射定律可知，在熱平衡條件下，物體熱輻射的發(fā)射率ε等于在同溫度下物體的吸收率A，因此，如何實(shí)現(xiàn)高效窄帶超吸收是該工作的關(guān)鍵，該器件在結(jié)構(gòu)上通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，針對(duì)相應(yīng)工作波長(zhǎng)，系統(tǒng)的輻射耦合因子與本征損耗因子相等，體系對(duì)該波長(zhǎng)的光波反射率為零，由于底層是厚度遠(yuǎn)大于光波穿透深度的金屬層，因此透射率也為零；又由于金屬層3、介質(zhì)腔層2和介質(zhì)布拉格反射鏡1之間所形成的高品質(zhì)因子光學(xué)微腔，只有相應(yīng)的窄帶寬工作波長(zhǎng)可以被共振束縛在腔內(nèi)，且隨著時(shí)間的推移逐漸被體系的本征損耗所消耗吸收。當(dāng)體系加熱后，該高效窄帶超吸收體將輻射出相應(yīng)窄帶紅外光。

本發(fā)明公開了一種紅外窄帶輻射源，其制備方法如下：

1)膜系設(shè)計(jì)。利用膜系設(shè)計(jì)工具如Coating Designer(CODE)、Thin film Calculator(TFC)等設(shè)計(jì)膜系，膜系自上而下依次是介質(zhì)布拉格反射鏡1、介質(zhì)腔層2、金屬層3和襯底4。為了使得膜系透過率為0，金屬層膜厚遠(yuǎn)大于輻射源向金屬內(nèi)傳播的穿透深度。其中金屬層和介質(zhì)布拉格反射鏡之間可以插入匹配層，使得它們應(yīng)力匹配，而介質(zhì)布拉格反射鏡上可以選擇覆蓋保護(hù)層。通過調(diào)節(jié)介質(zhì)腔層2和介質(zhì)布拉格反射鏡1光學(xué)厚度來調(diào)整窄帶輻射峰峰位。

2)通過蒸發(fā)或者濺射的方法制備金屬薄膜，可以采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)、雙離子束濺射等方法的一種來制備金屬薄膜。為了使得膜系透過率為零，金屬層膜厚遠(yuǎn)大于輻射源向金屬內(nèi)傳播的穿透深度，金屬薄膜應(yīng)當(dāng)具有紅外寬帶高反效果；

3)根據(jù)步驟1)膜系設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以選擇在金屬薄膜上制備匹配層，如鉻或鈦或鎳，可以采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)、雙離子束濺射等方法制備鉻或鈦或鎳薄膜，其厚度在1～20nm之間，優(yōu)選5～8nm，既可以保證原有金屬薄膜高反特性，又可大大增加介質(zhì)層與金屬層之間粘附性。

4)根據(jù)步驟1)膜系設(shè)計(jì)的結(jié)果，通過蒸發(fā)或者濺射的方法制備介質(zhì)腔層和介質(zhì)布拉格反射鏡。可以通過磁控濺射、雙離子束濺射、電子束蒸發(fā)來制備介質(zhì)腔層和介質(zhì)布拉格反射鏡，通過晶控或者光控來控制各層介質(zhì)薄膜的厚度。通過調(diào)整布拉格反射鏡與介質(zhì)腔層的厚度可以調(diào)整輻射峰的波長(zhǎng)。

5)根據(jù)步驟1)膜系設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以選擇在膜系上制備保護(hù)層，如氮化硅、二氧化硅等。

6)上述窄帶紅外輻射光源襯底可選硅、鍺、或者二氧化硅等常規(guī)材料,也可以根據(jù)不同的需求選擇不同的襯底，例如可選取聚四氟乙烯等具有柔性特質(zhì)的材料作為襯底，這樣設(shè)計(jì)制備的樣品可彎曲，實(shí)現(xiàn)曲面輻射光源。

采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下的有益效果：

1、峰值輻射率高。采用本發(fā)明公開的結(jié)構(gòu)后，紅外窄帶輻射源的峰值輻射率ε可達(dá)100％，并且其具有大面積優(yōu)勢(shì)，輻射功率與面積成正比。

2、單色性好。采用金屬和介質(zhì)布拉格反射鏡共振耦合的結(jié)構(gòu)，只有特定波長(zhǎng)的光可以被吸收或者輻射出來。

3、波長(zhǎng)可調(diào)。利用介質(zhì)腔層厚度和介質(zhì)布拉格反射鏡厚度可以靈活調(diào)節(jié)輻射峰位，輻射峰位可以在1.1～15.0μm波段任意調(diào)節(jié)，以滿足不同應(yīng)用需求。

4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于大面積制備。不同于光子晶體輔助和等離激元輔助紅外窄帶輻射源的三維結(jié)構(gòu)，本發(fā)明公開的紅外窄帶輻射源是一種一維結(jié)構(gòu)，僅通過鍍膜的方法就可以實(shí)現(xiàn)，并且可以制備大面積樣品，實(shí)現(xiàn)高功率紅外窄帶輻射。

5、可制備在柔性襯底上。本發(fā)明公開的紅外窄帶輻射源可以制備在柔性襯底上，可以隨著襯底彎曲，可以根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)節(jié)空間輻射場(chǎng)分布。

附圖說明

附圖1為紅外窄帶輻射源結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2為實(shí)施例1中紅外窄帶輻射源的輻射譜。

附圖3為實(shí)施例2中紅外窄帶輻射源的輻射譜。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而本發(fā)明不僅限于以下實(shí)施例。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說明：

實(shí)施例1：

中波紅外窄帶輻射源。本實(shí)例選取Si片為襯底，首先進(jìn)行襯底清洗，接著在其表面鍍制金膜，再鍍上介質(zhì)布拉格反射鏡膜系，最后進(jìn)行測(cè)試表征樣品性能。具體實(shí)施步驟如下：

1、襯底清洗。將Si片放入酒精中超聲10分鐘，去除襯底表面油污，超聲清洗結(jié)束之后，迅速將其取出，用氮?dú)獯蹈?，放入鍍膜腔中?/p>

2、鍍制200nm金屬金薄膜。將Si片放入雙離子束濺射設(shè)備中，鍍制200nm金屬金膜之后將樣品取出。

3、鍍制介質(zhì)腔層和介質(zhì)布拉格反射鏡。將樣品薄膜置于萊寶光學(xué)高真空鍍膜系統(tǒng)中，將鍍膜腔抽空到10^-5Pa，鍍膜溫度為150℃，先鍍制介質(zhì)腔層SiO，厚度為99nm。然后鍍制介質(zhì)布拉格反射鏡膜系Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)|Si(203nm)|SiO(403nm)。待腔體內(nèi)溫度降低到80℃以下，取出樣品。

4、樣品性能測(cè)試。將樣品加熱到200℃，使用布魯克傅里葉光譜儀測(cè)試樣品輻射譜，樣品輻射譜如圖2所示。此膜系是良好紅外輻射源，輻射峰位位于3135nm，半高全寬74nm。

實(shí)施例2：

長(zhǎng)波紅外窄帶輻射源。本實(shí)例為襯底聚四氟乙烯薄片，首先進(jìn)行襯底清洗，接著在其表面鍍制金膜，然后鍍上介質(zhì)布拉格反射鏡膜系，最后測(cè)試表征樣品性能。具體實(shí)施步驟如下：

1、襯底清洗。將聚四氟乙烯薄片放入酒精中超聲10分鐘，去除襯底表面油污，超聲清洗結(jié)束之后，迅速將其取出，用氮?dú)獯蹈桑湃脲兡で恢小?/p>

2、鍍制200nm金屬金薄膜。將聚四氟乙烯薄片放入雙離子束濺射設(shè)備中，鍍制200nm金屬金膜之后將樣品取出。

3、鍍制布拉格反射鏡。將樣品薄膜置于萊寶光學(xué)高真空鍍膜系統(tǒng)中，將鍍膜腔抽空到10^-5Pa，鍍膜溫度為150℃，先鍍制介質(zhì)腔層Ge，厚度為187nm。然后鍍制介質(zhì)布拉格反射鏡膜系Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|Ge(470nm)|ZnS(892nm)|。待腔體內(nèi)溫度降低到80℃一下，取出樣品。

4、樣品性能測(cè)試。將樣品加熱到200℃，使用布魯克傅里葉光譜儀測(cè)試樣品輻射譜，樣品輻射譜如圖3所示。此膜系是良好紅外輻射源，輻射峰位位于8114nm，半高全寬140nm。并且這一紅外窄帶輻射源采用聚四氟乙烯薄片作為襯底，襯底為柔性襯底，可彎曲，實(shí)現(xiàn)曲面輻射源。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。