[发明专利]一种红外窄带辐射器

说明书

本发明公开了一种红外窄带辐射器。该红外窄带辐射器产生预设频率v_IR的中长波红外窄带辐射，其包括由下到上依次生长的衬底、泵浦光源、第一红外谐振腔、红外增益介质和第二红外谐振腔；或包括由下到上依次生长的衬底、泵浦光源和掺杂有红外增益介质的红外谐振腔。红外增益介质的禁带宽度等于所需中长波红外光的能量，红外增益介质吸收泵浦光源发出的泵浦光，产生热载流子，光致热载流子通过弛豫到红外增益介质的能带边缘产生多个电子‑空穴对，多个电子‑空穴对通过辐射复合为频率v_IR的中长波红外光提供增益，泵浦光的频率v_pump2v_IR。本发明在无需中长波红外增益介质的单晶外延生长的情况下，提高了辐射功率谱密度和方向性。

技术领域

本发明涉及光-热-电能量转换技术领域，特别是涉及一种红外窄带辐射器。

背景技术

中长波红外光源在气体探测、生物目标检测等诸多领域有着极为广泛的应用。以气体探测为例，诸多气体分子在中长波红外波段有特征吸收峰，称为指纹区。通过红外光源发射这些波长的红外光，如果存在这类分子，则红外光会被吸收，信号减弱，通过探测红外信号强弱即可检测到对应分子是否存在以及其相对浓度大小。而不同的气体分子有着不同的指纹区，其指纹区覆盖范围为几纳米到数十纳米不等，中心波长范围也各不相同，因此对于中长波红外光源提出了窄带辐射的要求。

现有的中长波红外窄带辐射器主要有以下两种实现方案：1)中长波红外量子级联激光器；2)中长波红外窄带热辐射器。

中长波红外量子级联激光器有着较好的单色特性，光谱功率密度高，能进行快速调制，但往往需要超过μm甚至10μm量级的中长波红外增益介质的单晶外延生长，成本极高，成为限制其在中长波红外探测应用的主要因素。

中长波红外窄带热辐射器，通过构建具有中长波窄带吸收特性的辐射器表面，根据基尔霍夫定律，对该辐射器加热以后，该辐射器对外进行窄带的中长波红外辐射。对于任何的热辐射器，其远场辐射功率谱密度不可能超过同温度的黑体，从而具有辐射功率谱密度低的缺点；另外由于单纯的加热难以实现粒子数反转，热辐射器只有谐振器而没有增益介质，其光谱功率谱相对较宽，并且辐射的方向性相对较差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种单片集成的中长波红外窄带辐射器，能够在无需中长波红外增益介质的单晶外延生长的情况下，实现较高的辐射功率谱密度和方向性，具有制备方式简单、成本低的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种红外窄带辐射器，所述红外窄带辐射器包括由下到上依次生长的衬底、泵浦光源、第一红外谐振腔、红外增益介质和第二红外谐振腔；所述红外窄带辐射器用于产生预设频率v_IR的中长波红外窄带辐射；

所述红外增益介质用于吸收所述泵浦光源发出的泵浦光，以产生中长波红外光，所述泵浦光的频率v_pump与所述预设频率v_IR满足v_pump2v_IR；所述红外增益介质的禁带宽度等于所述中长波红外光的能量；所述第一红外谐振腔和所述第二红外谐振腔均由N个谐振单元由下到上依次堆叠而成，其中N≥2；所述第一红外谐振腔和所述第二红外谐振腔用于对所述中长波红外光进行谐振选频，以产生预设频率v_IR的中长波红外窄带辐射。

可选的，所述红外增益介质为具有多重激子效应的窄禁带半导体或具有多重激子效应的准金属；

所述窄禁带半导体为PbSe纳米量子点、PbS纳米量子点、PbTe纳米量子点、InAs纳米量子点、InP纳米量子点、CdSe纳米量子点和CdTe纳米量子点中的一种或几种；