[发明专利]一种垂直谐振腔超窄带红外发射光源

说明书

技术领域

本发明属于红外辐射光源技术，具体的说是一种垂直谐振腔超窄带红外发射光源，该红外发射光源采用一维光子晶体和金属构成的谐振腔结构，根据有限一维光子晶体和谐振腔理论获得超窄带红外准相干热辐射光。

背景技术

目前，一般最常用的红外光源有宽谱的黑体和白炙灯丝等，但是在有些应用场合需要窄谱的红外光源，比如在红外气体探测领域，为了区分不同的气体，需要与气体在红外区域的特征吸收峰相对应的光源。窄谱红外光源有红外LED和量子级联激光器等，但是受材料限制，这种光源的光谱覆盖范围比较窄，同时由于在中红外波段，所需要的带隙能和材料的热振动能接近，所以效率很低，而且价格非常昂贵，特别是量子级联激光器，因此通常为了得到窄谱红外光，一般使用宽谱红外光源加上滤波片来获得。在有些场合，比如在气体探测领域，为了降低噪声，提高探测灵敏度，一般需要脉冲光源，但是宽谱红外光源一般比较大，很难直接进行电调制，一般采用机械调制来得到调制光，这使得系统设计复杂，难以做到小型化，便携式。

高温体材料的热辐射一般被认为是各向同性、宽谱、非相干电磁辐射，但是最近研究发现，通过在热辐射物体表面制作微结构，可以改变物体的热辐射特性，使得某些波段辐射增强而其他的波段辐射被抑制从而得到窄带准相干的热辐射光源。基于这种原理，各种不同类型的微结构不断的制作在热辐射物体表面，其中包括一维光子晶体(参见对比文件[1]IvanCelanovic，David J.Perrault，John G.Kassakian.“Resonant-cavity enhancedthermal emission”，PHYSICAL REVIEW B 2005 72(7)，pp.075 127)、二维光子晶体(参见对比文件[2]M.U.Pralle，N.Moelders，M.P.McNeal.“Photoniccrystal enhanced narrow-band infrared emitters”.Applied physics letters2002，81(25)，pp.4685-4687.)、三维光子晶体(参见对比文件[3]S.Y.Lin，J.G.Fleming，and I.El-Kady，“Highly efficient light emission atλ＝1.5μm by athree-dimensional tungsten photonic crystal”.Optics letters 2003，28(18)，pp.1683-1685.)等，从而得到窄带准相干热辐射光源。

基于上述各种不同的光子晶体结构的窄带红外发射光源均有一些不足之处：对比文件[1]中的一维光子结构和高温发射金属直接相连，由于热应力的影响，一维光子晶体结构很难承受很高温度，而且由于材料受热变形导致结构参数变化，发射谱的性能降低，甚至一维光子晶体可能完全脱落使得器件失效，所以很难实用化；对比文件[2，3]中的结构是可行的，但是发射谱线比较宽，FWHM最小大约有1μm左右，这在有些应用场合是不适用的，比如在气体传感领域，光源谱线太宽很容易引起不同气体探测信号之间的串扰而造成误测。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种垂直谐振腔超窄带红外发射光源，该红外发射光源可以减少介质光子晶体由于受热应力的影响而改变器件的热辐射光谱性能，其工作性能更稳定，并且具有更窄的发射谱线。

本发明提供的垂直谐振腔超窄带红外发射光源，包括基底材料和在基底材料上制作的一维光子晶体，其特征在于：它还包括微桥结构和电源，在一维光子晶体和微桥结构之间有谐振腔，微桥结构与一维光子晶体相对的面为金属材料，微桥结构通过电极与电源相连。

具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下显著特点：

(一)与对比文件[1]相比，本发明具有以下几个优点：(1)本发明的一维光子晶体结构和金属层是有真空隙隔离的，因此可以通过优化隔热设计，使得介质一维光子晶体处于比较低的温度而金属层处于比较高的温度，这可以大大减少介质光子晶体由于受热应力的影响而改变器件的热辐射光谱性能，使得整个器件的工作性能更稳定；(2)具有谐振腔结构的红外发射光源的谱线更窄；(3)采用本发明的结构，可以采用MEMS技术来制作微桥结构，使得升温和降温的速度都比较快，有利于采用电调制；(4)采用MEMS技术制作微桥结构，可以使得整个器件的功耗大大减少。因此，本发明克服了对比文件[1]实用上遇到的难题。