CN108180991A - 一种红外窄带热辐射器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种红外窄带热辐射器及制备方法。所述红外窄带热辐射器包括：波纹管状层，所述波纹管状层的材质为金属，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层内部附着一层耐高温导热材料，所述耐高温导热材料通电加热后产生红外辐射谱。本发明能够实现波长动态调节。

Description

一种红外窄带热辐射器及制备方法

技术领域

本发明涉及光-热和光-电领域，特别是涉及一种红外窄带热辐射器及制备方法。

背景技术

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，诸多气体分子在红外波段有着被称为指纹区的特征吸收峰，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，因此对于红外光源提出了窄带辐射以及中心波长可调的要求。

现有的窄带辐射器主要有以下几种实现方案：1)量子级联激光器；2)红外LED；3)红外窄带热辐射器。

量子级联激光器有着较好的辐射特性，强度高，能进行快速调制，但制作工艺复杂，成本较高。红外LED波长较短(一般不超过5μm)，功率也较低，波长在成片时已经固定，难以进行调谐，以上问题也大大限制了它的实用范围。而传统的红外窄带热辐射器一般是宽谱光源，需要外加滤波结构等实现窄带输出特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外窄带热辐射器及制备方法，能够实现波长动态调节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种红外窄带热辐射器，包括：波纹管状层，所述波纹管状层的材质为金属，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层内部附着一层耐高温导热材料，所述耐高温导热材料通电加热后产生红外辐射谱。

可选的，所述波纹管状层的材质为金、银、铜、铝、钨、钽和铼中的任一种。

可选的，所述红外窄带热辐射器还包括：光子晶体层，所述光子晶体层设置于所述波纹管状层外部，所述光子晶体层包括多个第一折射层和多个第二折射层，所述第一折射层的折射率高于所述第二折射层的折射率，相邻两个所述第一折射层通过所述第二折射层连接，所述第一折射层的厚度为所述红外辐射谱中心波长的四分之一，所述第二折射层的厚度为所述红外辐射源中心波长的四分之一。

可选的，所述光子晶体层的最内层为所述第一折射层，所述光子晶体层的最外层为所述第一折射层。

可选的，所述光子晶体层包括2-3个所述第二折射层。

可选的，所述第一折射层的材质为锗或硅，所述第二折射层的材质为硫化锌或氟化镁。

可选的，所述红外窄带热辐射器还包括：保护层，所述保护层设置于所述光子晶体层的外部，所述保护层的材质为耐腐蚀抗氧化材料。

可选的，所述保护层的材质为氮化硅或二氧化硅。

一种红外窄带热辐射器的制备方法，包括：

制作波纹管状层，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层的材质为金属；

通过磁控溅射、电子束蒸发或超高功率密度溅射薄膜的方法制备光子晶体层，所述光子晶体层包括多个第一折射层和多个第二折射层，所述第一折射层的折射率高于所述第二折射层的折射率，相邻两个所述第一折射层通过所述第二折射层连接；

在所述光子晶体层上溅射一层耐腐蚀抗氧化材料。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、波长可动态调节。采用本发明所述的结构后，利用波纹管结构的特性，实现波纹管周期的动态调节，可以实现辐射峰值3-12微米的动态调节。

2、辐射峰值高。通过光子晶体层的谐振增强以及波纹管结构的尺寸效应，能够达到极高的辐射峰值。

3、辐射峰窄。采用光子晶体结构后，只有满足波长匹配条件的光可以被吸收或辐射出来。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明红外窄带热辐射器的结构图(剖面图)；

图2为红外辐射谱的仿真图；

图3为本发明红外窄带热辐射器的制备方法的流程图；

图4为采用本发明红外窄带热辐射器的波长吸收特性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有的红外光源存在的问题，本发明公开了利用尺寸效应，辅以DBR光栅结构实现对光的窄带吸收，加以柔性结构实现波长可调的红外窄带热辐射器及制备方法。

本发明的设计原理为：基尔霍夫热辐射定律——在热平衡条件下，物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。因此，设计出窄带吸收结构，即可实现窄带辐射。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明红外窄带热辐射器的结构图(剖面图)。如图1所示，所述红外窄带热辐射器包括：波纹管状层1、光子晶体层2和保护层3。所述光子晶体层2设置于波纹管状层1外部，保护层3设置于光子晶体层2外部。

波纹管状层1的材质为金属，波纹管状层1的波纹周期能够调节，波纹管状层1内部附着一层耐高温导热材料，所述耐高温导热材料通电加热后产生红外辐射谱。波纹管状层1的材质为金、银、铜、铝、钨、钽和铼中的任一种。

光子晶体层2包括多个第一折射层4和多个第二折射层5，第一折射层4的折射率高于第二折射层5的折射率，相邻两个第一折射层4通过第二折射层5连接，即，第一折射层4和第二折射层5交叉布设。第一折射层4的厚度为红外辐射谱中心波长的四分之一，第二折射层5的厚度为红外辐射源中心波长的四分之一。

其中，光子晶体层2的最内层为第一折射层4，光子晶体层2包括2个所述第二折射层4。更优的是，光子晶体层2的最内层为第一折射层4，光子晶体层2的最外层为第一折射层4。光子晶体层2包括3个第二折射层5。

第一折射层4的材质为锗或硅，第二折射层5的材质为硫化锌或氟化镁。

保护层3的材质为耐腐蚀抗氧化材料，例如氮化硅或二氧化硅。保护层3用于保护光子晶体层2不易氧化变性、潮解等，并实现一定的增透减反作用。

光子晶体层2的设计原则如下：

1)选取材料。根据预定设计的辐射波段，选择在这一波段弱吸收的高折射率材料和低折射率材料。

2)选定参考波长。红外窄带辐射源所需的辐射波长的中心位置作为光子晶体的参考波长。

3)确定光子晶体结构。高折射率材料与低折射率材料的光学厚度设定为选择波长的1/4。

波纹管状层1的设计原则如下：

1)选取材料。根据预定设计的辐射波段，选择在这一波段具有弱吸收高反射的材料。

2)选定参考波长。红外窄带辐射源所需的辐射波长的中心位置作为波纹管结构的参考波长。

3)确定波纹管周期。根据参考波长结合尺寸效应确定波纹管周期。其中，波纹管状层的波纹周期与所述红外辐射谱中心波长正相关。如2所示，当辐射中心波长为6um左右时，波纹管的周期应为1.5um左右。

本发明还提供了一种红外窄带热辐射器的制备方法，图3为本发明红外窄带热辐射器的制备方法的流程图。如图3所示，所述制备方法包括：

步骤301：制作波纹管状层，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层的材质为金属。可以采用以下方法制作：液压成形、滚压成形、机械胀形、沉积成形、或是3D打印、纳米压印。

步骤302：通过磁控溅射、电子束蒸发或超高功率密度溅射薄膜的方法制备光子晶体层，所述光子晶体层包括多个第一折射层和多个第二折射层，所述第一折射层的折射率高于所述第二折射层的折射率，相邻两个所述第一折射层通过所述第二折射层连接。

步骤303：在所述光子晶体层上溅射一层耐腐蚀抗氧化材料。

1)波纹管设计。利用FDTD、RSoft等仿真设计工具，设计波纹管初始周期性结构，波纹管周期应与辐射中心波长相接近。通过调节波纹管周期可以调整窄带辐射峰峰位。

2)波纹管制作。根据1)的设计结构，制作波纹管结构。波纹管可以但不限于通过以下方法制作：液压成形、滚压成形、机械胀形、沉积成形、或是3D打印、纳米压印等，材料应具有红外宽带高反射效果。

3)光子晶体结构设计。利用FDTD、RSoft等仿真设计工具，设计光子晶体结构。光子晶体结构由高低折射率材料交替组成。通过调整各层厚度来调整窄带辐射峰峰位，各层的光学厚度应等于辐射中心波长的1/4。以辐射中心波长为6微米左右为例，在高折射率材料为Ge，低折射率材料为ZnS的情况，作如下计算：薄膜的光学厚度应满足λ/4条件，即n·d＝λ/4。代入Ge的折射率n1＝4.01146，得Ge的厚度d1＝0.374um；代入ZnS的折射率n2＝2.239，得ZnS的厚度d2＝0.670um；即Ge厚度0.374um，ZnS厚度0.670um，将二者交替排列制成光子晶体层。

4)通过蒸发或者溅射等薄膜制备方法制备光子晶体结构。根据3)的设计结构，可以采用磁控溅射、电子束蒸发，超高功率密度溅射等方法制备高折射率及低折射率材料。

实施例：

本实例选取Au作为波纹管结构材料，首先进行液压成形制成铝制波纹管结构，然后在其表面镀上光子晶体结构，最后镀上保护层。具体实施步骤如下：

1、制作波纹管结构。通过沉积成形工艺制作波纹管结构。

2、镀光子晶体结构。将波纹管放入磁控溅射设备中，镀光子晶体结构膜，本实施例中的光子晶体结构为：

Ge(345nm)|ZnS(670nm)|Ge(374nm)|ZnS(670nm)|Ge(374nm)|ZnS(670nm)

|Ge(374nm)|ZnS(670nm)。

3、镀保护层。在完成光子晶体结构后，在其上继续使用磁控溅射制备AlN保护薄膜。

本发明设计的光子晶体层为Au+Ge+ZnS+Ge+ZnS+Ge+ZnS+Ge的吸收特性如图4所示。

本发明有如下技术效果：

1、波长可动态调节。采用本发明所述的结构后，利用波纹管结构的特性，实现波纹管周期的动态调节，可以实现辐射峰值3-12微米的动态调节。

2、辐射峰值高。通过光子晶体层的谐振增强以及波纹管结构的尺寸效应，能够达到极高的辐射峰值。

3、辐射峰窄。采用光子晶体结构后，只有满足波长匹配条件的光可以被吸收或辐射出来。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种红外窄带热辐射器，其特征在于，所述红外窄带热辐射器包括：波纹管状层，所述波纹管状层的材质为金属，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层内部附着一层耐高温导热材料，所述耐高温导热材料通电加热后产生红外辐射谱。

2.根据权利要求1所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述波纹管状层的材质为金、银、铜、铝、钨、钽和铼中的任一种。

3.根据权利要求1所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述红外窄带热辐射器还包括：光子晶体层，所述光子晶体层设置于所述波纹管状层外部，所述光子晶体层包括多个第一折射层和多个第二折射层，所述第一折射层的折射率高于所述第二折射层的折射率，相邻两个所述第一折射层通过所述第二折射层连接，所述第一折射层的厚度为所述红外辐射谱中心波长的四分之一，所述第二折射层的厚度为所述红外辐射源中心波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述光子晶体层的最内层为所述第一折射层，所述光子晶体层的最外层为所述第一折射层。

5.根据权利要求4所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述光子晶体层包括2-3个所述第二折射层。

6.根据权利要求3所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述第一折射层的材质为锗或硅，所述第二折射层的材质为硫化锌或氟化镁。

7.根据权利要求3所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述红外窄带热辐射器还包括：保护层，所述保护层设置于所述光子晶体层的外部，所述保护层的材质为耐腐蚀抗氧化材料。

8.根据权利要求7所述的红外窄带热辐射器，其特征在于，所述保护层的材质为氮化硅或二氧化硅。

9.一种红外窄带热辐射器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制作波纹管状层，所述波纹管状层的波纹周期能够调节，所述波纹管状层的材质为金属；

通过磁控溅射、电子束蒸发或超高功率密度溅射薄膜的方法制备光子晶体层，所述光子晶体层包括多个第一折射层和多个第二折射层，所述第一折射层的折射率高于所述第二折射层的折射率，相邻两个所述第一折射层通过所述第二折射层连接；

在所述光子晶体层上溅射一层耐腐蚀抗氧化材料。