专利名称：一种宽频带空间相干热辐射光源的制作方法
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 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。
图IA为本发明实施例的结构示意图。图IB为本发明实施例的金属结构层示意图。图2为本发明实施例不同角度的吸收谱示意图。图3为本发明实施例在不同频率的角度吸收谱示意图。图4为本发明时域有限差分法仿真的相干热辐射方向图GO. OTHz)。图5为本发明时域有限差分法仿真的相干热辐射方向图(53. 5THz)。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。实施例本发明实施例为设计在30-60THZ的热辐射平板结构。其结构示意图如图1所示， 其中上表面金属结构层1采用周期排列的一维金属光栅结构，由厚度为0. 2微米的铝膜光刻而成。金属长条的宽度为4微米，金属长条和金属长条的间距为0.2微米。均勻介质层
42采用掺杂氧化硅材料。纯净氧化硅介电常数低，光吸收很小，热辐射效率低下；掺杂碳粉，可在保持其介电常数不变的情况下，增加其电导率，本实施例用到的氧化硅材料电导率为67s/m。下底板为金属层3，与上表面金属结构层1和介质层2产生磁谐振表面相干态， 也起到支撑整个结构的作用。单个介质层热辐射效率很低，本发明的上表面金属结构层，介质层和下底板金属层能产生相干表面态，大大增强其热辐射效率，图2为本发明实施例对应不同角度的入射光吸收谱，可以看到在光正入射到此结构时，在Μ. 3THz频率有一个高吸收峰，根据基尔霍夫定律，高吸收物体同时也是高热辐射物体，因此此结构能大大增强介质层的热辐射效率， 到理想黑体的热辐射水平。同时此吸收峰对入射光的角度很敏感，图3为本发明实施例在 40THz,54. 3THz时候角度吸收谱，图中反映此吸收峰角度半高宽相当窄，也就是说此吸收峰具有高空间相干性。空间相干性可由缝隙大小控制，当保持周期，厚度等结构参数不变的情况下，金属缝隙的大小由0. 2微米变为0. 1微米时，在40THz的红外角吸收谱在30度左右的吸收峰半高宽由原来的2. 7度降低到1. 1度，相干性由原来的21倍波长增加到52倍波长。图4和图5为计算仿真的本发明实施例的热辐射方向图，与普通热辐射光源相比， 其在40THz和54. 3THz的热辐射方向图具有高方向性，也就是具有高空间相干性，并且不同频率的辐射方向角也不同，因此其结构作为红外，太赫兹波段光源具有高空间相干性和单色性。本发明的宽频带空间相干热辐射光源，其热辐射的空间相干性可达到220倍波长，可以实现宽频带范围高效率的空间相干热辐射，光波的辐射方向对波长很敏感，可用于实现太赫兹，红外波段的空间相干光源，平面结构，厚度超薄，加工容易，成本低廉。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于其包括金属结构层、介质层及下底板金属层，下底板金属层为支撑层和热传导层，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。
2.如权利要求1所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述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。
3.如权利要求2所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述金属单元为金iM bv^^ ο
4.如权利要求2所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述金属单元为金属方块、金属长方块、金属圆片或者金属圆环。
5.如权利要求2所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述金属单元之间的空气缝隙小于周期的五分之一。
6.如权利要求1所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述介质层具有微小电导率。
7.如权利要求6所述的宽频带空间相干热辐射光源，其特征在于所述介质层为半导体材料，或者是普通介质掺微量碳黑或金属纳米颗粒。
全文摘要
一种宽频带空间相干热辐射光源，其包括金属结构层、介质层及下底板金属层，下底板金属层为支撑层和热传导层，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。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，本发明的金属结构层、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，频率可由周期长度来调节。且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，使得金属缝隙宽度与周期比值的大小决定了相干长度的大小。本发明结构简单、制作方便、成本低廉、易于实现。
文档编号H01K5/00GK102237258SQ20101016942
公开日2011年11月9日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者余兴, 张冶文, 曹扬, 李宏强, 樊元成, 武超, 陈鸿, 韩缙, 魏泽勇 申请人:同济大学