【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学器件领域，具体涉及一种基于超表面的红外窄带热辐射光源结构。
技术介绍
1、红外光源作为一种非照明光源，广泛地应用于气体质量监测、光谱成像、生物医学诊断等领域。常用的红外光源主要分为红外发光二极管光源、红外激光光源以及红外热辐射光源。其中，红外发光二极管和红外激光光源能量谱密度高，但是成本较高且需要温控，不利于集成。红外热辐射光源作为一种经济实惠的光源，仍然是产生红外辐射的最佳选择之一。
2、非色散红外(ndir)气体传感器是红外光源的典型应用。为检测气体对特定波长的吸收程度，往往需要创建特定窄带发射轮廓的红外光源。利用稀土氧化物等材料可以在固定波长下获得窄带发射光谱，但是这种方法无法实现对发射波长和发射带宽的任意控制。传统方法是采用宽带光源与滤光片的组合，这种方法效果虽好，但是仅仅使用了红外光源的少部分能量，能源效率低、价格昂贵且不利于集成。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是设计一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，通过对超表面结构参数的优化调整，不需要额外的滤光装置即可将红外辐射集中在任意目标波长附近，能够解决传统方法实现窄带光源存在的体积庞大、不易集成的问题。
2、本专利技术提出的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其技术方案为：
3、所述结构顶部具有周期性纳米结构组成的超表面微阵列结构，所述微阵列结构设置在四端梁固支悬浮支撑层上方，所述支撑层下方为硅基空腔结构，空腔底部设置有金属反射层。
4、进一步，超表面微
5、所述超表面结构材料也可以为介质材料，例如砷化镓、碳化硅等。
6、所述超表面微阵列结构厚度为0.1～1um，单元周期为1～3um。
7、进一步，超表面结构顶部被密封层包裹，防止结构在反复热循环时氧化。
8、密封层材料可选择为氧化铝、二氧化硅或氮化硅，厚度为0.01～0.3um。
9、进一步，器件采用四端梁固支悬膜结构，金属加热层、绝缘层、超表面微阵列结构和密封层固定于复合介质支撑层上，支撑层以下为硅基空腔、金属反射层。
10、进一步，介质支撑层由两层方形薄膜复合组成，通过四条微型支撑梁连接到硅基衬底，形成四端梁固支悬膜结构。
11、介质支撑层可由氮化硅和二氧化硅材料共同组成，厚度为0.5～2um，介质支撑层连接着金属加热层和硅基衬底层，金属加热层的能量通过支撑梁进行传导，采用四条微型支撑梁可以在确保结构稳定性的同时有效减少和硅基衬底层的接触面积，减少能量损失。
12、进一步，硅基衬底层中间具有一个矩形空腔，用于减少热传导损耗。
13、光源热辐射过程中金属加热层产生的能量会向硅基衬底层传导，矩形空腔的存在可以有效减少能量传导带来的损失。
14、进一步，在硅基衬底层空腔底部集成了金属反射层，厚度为0.1～0.5um，用于反射红外光能量。
15、热辐射光源向四周发散红外能量，不可避免的通过硅基衬底辐射大量红外光，在底部设置一个金属反射层，可以使红外光几乎都通过正面辐射，从而提高光利用率。
16、进一步，超表面微阵列结构与金属加热层之间用绝缘层隔开，避免二者直接接触，绝缘层厚度为0.1～0.8um。
17、进一步，金属加热层厚度为0.2～2um，可选用铜、钨或铂等材料制作，可按照蛇形、回字形等走线方式排布。
18、与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
19、(1)所述的基于超表面的窄带热辐射光源通过调整超表面结构参数可任意调谐发射波长，无需借助滤光装置即可实现窄带发射光谱，用作气体传感器光源能够有效减小器件尺寸。
20、(2)所述的基于超表面的窄带热辐射光源可以与cmos工艺兼容，利于大规模生产和片上集成。
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1.一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：超表面微阵列结构集成在MEMS热辐射光源上，结构从上到下依次为密封层、超表面微阵列结构、绝缘层、金属加热层、介质支撑层、硅基空腔、金属反射层。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：超表面微阵列结构可由图案化的金属或介质纳米结构组成，所述的图案化结构可为“工”字形、“十”字形等形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：所述介质支撑层由两层方形薄膜复合组成，通过四条微型支撑梁连接到硅基衬底，形成四端梁固支悬膜结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：金属加热层位于支撑层与绝缘层之间，可按照蛇形、回字形等走线方式排布。
5.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：超表面微阵列结构与金属加热层之间用绝缘层隔开，避免直接接触。
6.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：硅基衬底层的中心位置具有一个空腔，空腔形状可
7.根据权利要求6所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：所述硅基衬底层的空腔底部集成有金属反射层。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：超表面微阵列结构集成在mems热辐射光源上，结构从上到下依次为密封层、超表面微阵列结构、绝缘层、金属加热层、介质支撑层、硅基空腔、金属反射层。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：超表面微阵列结构可由图案化的金属或介质纳米结构组成，所述的图案化结构可为“工”字形、“十”字形等形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的红外窄带热辐射光源，其特征在于：所述介质支撑层由两层方形薄膜复合组成，通过四条微型支撑梁连接到硅基衬底，形成四端梁固支悬膜结构。
【专利技术属性】
技术研发人员：郭小伟，李若禺，郝仟僖，李小迪，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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