[发明专利]一种宽频带空间相干热辐射光源

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太赫兹，红外频段具有高空间相干性的热辐射光源。

背景技术

物质由于分子或原子等的热运动产生的自发辐射称之为热辐射，其辐射频谱跟材料的性质和温度有关。一切物体都在不断的热辐射，热辐射最普遍的应用就是白炽灯。跟激光单色性和高定向性相比，人们一般认为热辐射在时间和空间上都是非相干热源，及辐射频谱是相当宽带，各个方向的辐射是各向同性。光谱分析中一般用到的光源为单色光，红外激光光源能产生相干单色光，但是其造价昂贵，并且频率一般不可调谐。因此一般利用光栅或者棱镜对热辐射光进行分光得到单色光。但是此方法结构复杂，成本昂贵，不利于小型化，单色性也受光栅分光的限制。

热辐射的空间相干性可以利用金属材料或者半导体材料表面的表面等离极化激元模式控制。2002年，J.-J.Greffet等人在自然杂志上发表论文指出，通过在碳化硅的表面刻一层光栅，可以是具有相干性的表面等离极化激元模式和外场耦合，使碳化硅产生高定向的热辐射模式，从而实现随即热源的相干辐射。但是自然界存在的金属材料其等离子体振荡频率都在紫外，可见光波段，也有少数半导体材料的等离子体振荡频率在近红外，不能实现任意频率的相干热辐射。

本发明利用一种平面超薄结构实现磁谐振相干表面态，在表面形成一个低泄漏的磁表面等离极化激元模式，从而实现宽频带的相干热辐射光源。不同频率的辐射方向角不一样，从而保证光源的单色性和高方向性。通过转动光源的角度可以得到不同频率的单色光波。相干性可以通过结构尺寸控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽频带空间相干热辐射光源，利用平面、超薄结构得到相干性热辐射的光源。与现有半导体材料，或者金属材料表面光栅结构实现的相干光源相比，本发明光源的热辐射电磁波相干性可控，可达到220倍波长以上；工作频带可调，可用于实现太赫兹，红外单色高方向性相干光源。

本发明需要包含平面金属结构层、介质层和下底板金属层，下底板金属层作为整个结构的支撑层和热传导层，介质层和平面金属结构层由下往上依次叠在下底板金属层上面。

本发明平面金属结构层由金属单元周期排列的一维或者二维阵列组成，周期大约为工作频带上带边的电磁波在介质中的波长，因此工作频带可以由周期和介质的介电常数调节，覆盖整个太赫兹、红外波段。金属单元可以是金属长条，也可以是金属方块、金属长方块、金属圆片或金属圆环等。由于工作频率是在红外，太赫兹波段，金属表现为理想金属，所以金属单元可以是任何金属。这种平面结构可以用金属薄膜经过光刻等工艺完成。热辐射的空间相干性通过调节光波与平面波的耦合系数控制，耦合系数由金属单元之间的空气缝隙决定，本发明采取小的空气间隙(小于周期五分之一)得到高空间相干性热辐射光波。

本发明的下底板金属层可通过电热丝等方式加热，温度传导到介质层。下底板金属层和平面金属结构层均为金属，在太赫兹、红外波段热辐射能力很弱，但是金属结构层、介质层和下底板金属层支持的高相干表面态能放大介质层电磁场，从而放大介质的热辐射效应，理论上可达到黑体辐射水平。介质层具有微小电导率，可以是由半导体材料，或者普通介质(例如氧化硅材料)掺微量(1％左右)碳黑或者金属纳米颗粒实现。

本发明的热辐射光波在工作频带内不同的频率具有不同的辐射方向角，通过旋转样品可以得到单色的高定向热辐射光波。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、由于本发明由上表面金属结构层，介质层和下底板金属层构成的低泄漏的相干磁谐振表面态控制热辐射的相干性，介质中的波长大概为金属结构层周期的0.5～1.5倍时产生相干热辐射，因此频率可由周期长度来调节，周期越大频率越低，相反，周期越小频率越低。

2、由于本发明的相干磁谐振表面态通过上表面的金属缝隙泄漏到自由空间，因此金属缝隙宽度与周期比值的大小决定了相干长度的大小，该比值越小，相干长度越大。因此频率和相干长度可以结构参数调控。频率覆盖太赫兹和红外波段，相干长度可达到220倍波长。

3、由于本发明所用的结构产生的磁谐振能大大增强介质层内的局域电磁场场强，因此可以有效调控局域态密度，能使在特定频谱范围内辐射效率很低的常规介质板实现理想热辐射，效率可达到理想黑体的辐射效率。

4、本发明的热辐射方向角由波长控制，不同波长的热辐射方向角不同，可用于实现太赫兹和红外相干热辐射光源。

5、本发明所用的结构均为平面结构，制作简单，成本低廉。

6、本发明所用的结构厚度为亚波长厚度，易于集成。

附图说明