JP2015535619A

JP2015535619A - 切替可能指向性赤外放射線源

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Publication number: JP2015535619A
Application number: JP2015544450A
Authority: JP
Inventors: ベン−アブダラ，フィリップ; クトロ，アンヌ−リーズ; ベスベス，マンジル; ベニスティ，アンリ
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-12-14
Also published as: EP2926194A1; US9798218B2; FR2998981A1; CA2892684A1; WO2014083041A1; US20150293428A1; FR2998981B1

Abstract

本発明は、赤外帯域における指向性放射線の線源（１００）に関する。本線源は、少なくとも基板（１０）と、金属絶縁体転移材料であって、対応する波長が赤外帯域にある温度Ｔｃに対するその温度に応じて相変化し、かつ結晶相（１１）および非晶相（１１’）を有する金属絶縁体転移材料からなる制御可能セル（５１）を備える外部層（２０）と、セル（５１）が非晶相に制御される場合に、この外部層（２０）内に回折格子（５０）を形成するようにセルの相変化を制御するための制御手段とを備え、したがって、切替可能指向性線源をもたらす。

Description

本発明の分野は、赤外放射線の指向性線源の分野である。

黒体の概念は、高温体の遠方界放射挙動のモデルとなる。ウィーンの法則によれば、ここでＩと表す放射光束を黒体が最も多く放射するウィーンの法則の波長λ_Ｗは、温度Ｔ°（°Ｋで表す）に反比例することが想起される。ここで、λ_Ｗ＝２８９８（μｍ°Ｋで表す）／Ｔ°である。

自然状態では、高温固体の遠方界放射挙動は、ほとんどの場合、黒体の遠方界放射挙動に非常に類似している。その放射はインコヒーレントであり、すなわち全体として等方的（ランバーティアン）であり、スペクトル幅が広い。

放射率ε（λ，θ）は、黒体の放射Ｉ_０に対する、方向θにおける波長λでの高温体の放射スペクトルＩ（λ，θ）に関係し、比率
ε（λ，θ）＝Ｉ（λ，θ）／Ｉ_０（λ，Ｔ）
によって定義される。Ｉ_０（λ，Ｔ）は、波長λでの温度Ｔにおける黒体の単色放射束であり、Ｉ（λ，θ）は、方向θにおける同じ波長での物体の単色放射束である。

放射方向の制御は、電磁界の空間的コヒーレンスに関連する。相関長が長いほど、指向性が大きい。これらの条件下では、熱源は、まさにアンテナとして機能し得る。今日まで、サブ波長スケールで材料を構成することによって多くの指向性熱源が設計されている。
− １９９９年にはＣａｒｍｉｎａｔｉら、次いでＳｈｃｈｅｇｒｏｖら（２０００年）が、共振面モードに関連する場が、高い空間的コヒーレンスを有することを実証した。しかしながら、この場はなお界面近傍に制限されているため、遠方界熱放射は依然としてインコヒーレントである。
− ２００２年にはＧｒｅｆｆｅｔら（Ｇｒｅｆｆｅｔｅｔ．ａｌ．，２００２）が、表面格子を使用して、これらの波の空間的コヒーレンスを遠方界にエクスポートし得ることを実証した。そのような線源１００’の構造を図１に示す。線源１００’はＳｉＣのバルク試料５０’からなり、その表面はエッチングされ、１Ｄ格子を形成している。しかしながら、このタイプの線源の欠点の１つは、波長を有する放射方向のドリフトにある。さらに、高い指向性は、ｐ偏波、すなわち共振面モードが結合する唯一の偏波にのみに観察され、この偏波の電界は、表面に沿った成分を全く有していない。したがって、ｓ偏波については、放射される放射線は依然としてインコヒーレントである。
− この欠点を軽減するために、Ｋｏｌｌｙｕｋｈら（２００３年）、Ｂｅｎ−Ａｂｄａｌｌａｈ（２００４年）およびＣｅｌａｎｏｖｉｃら（２００５年）は、単一膜またはマイクロキャビティを使用して、ファブリペロー型導波モードおよびキャビティモードの存在を利用し、両方の偏波状態に対して同時に放射パターンを制御することを提案した。しかしながら、まさに熱アンテナであるこれらの構造は低い放射率レベルを示す。
− これらの線源のコヒーレンス度を改善するために、他のより複雑な構造が提案されている。これは、Ｌｅｅら（２００５年）によって提案された構造に当てはまる。これらの線源は、極性材料に結合された周期的な１次元多層構造（１Ｄスタック）からなり、光のｓ偏波状態およびｐ偏波状態の両方に対して放射の方向および周波数を同時に制御することができる。しかしながら、このタイプの平面線源の放射の指向性制御はなお低い。
− この問題を緩和するために、上で説明した構造の多くの特徴を関連付ける複合構造が開発されている（Ｄｒｅｖｉｌｌｏｎｅｔ．ａｌ．，２００７）。これらの構造の中で、ＢａｔｔｕｌａおよびＣｈｅｎ（２００６年）によって提案された構造が言及され得る。その構造は、ここでは、表面格子と１Ｄフォトニック結晶すなわち１Ｄ表面格子との間に配置されたキャビティからなるナノ構造多層材料に関する。この構造では、可視および近赤外域において高い空間的コヒーレンスだけでなく時間的コヒーレンスも有する線源を得ることができた。この構造の長いコヒーレンス長は、一方では格子の表面上におけるエバネッセント波の励磁に起因する。他方では、フォトニック結晶は偏光子として働き、指向性ではないであろう非共振のｓ偏波放射線の放射を抑制して、放射の共振成分に対してのみ高い放射率を維持する。最後に、高い時間的コヒーレンス度（ひいては小さい幅）は、フォトニック結晶の上にあり、かつ共振モードの周波数で放射を増幅するキャビティの存在に起因する。
− またＪｏｕｌａｉｎおよびＬｏｉｚｅａｕ（２００７年）は、表面格子を単純なガイド部に結合することによって、一時的にコヒーレントな指向性熱源を得ることが可能であろうことを実証している。しかしながら、この作業は理論的な手法に依拠しており、１次元格子に限られた。
− さらに、メタマテリアル、すなわち負の誘電率および負の透磁率を示す人工複合構造を使用して、熱放射の方向を制御することが想定されている（Ｅｎｏｃｈ，２００２）。しかしながら、赤外域で自然磁気共鳴がないこと、および製造の困難さから、これらの材料の開発が遅れている。
− しかしながら２００５年には、研究者チーム（Ｚｈａｎｇｅｔ．ａｌ．，２００５）が、穿孔誘電体構造と金属膜とを組み合わせることによって、近赤外（２μｍ）域で３Ｄメタマテリアルを設計することが可能であろうことを実証した。類似した結果が、金線ベースの複合構造を使用して、遠赤外（４０〜６０μｍ）域でも得られた（Ｗａｎｇｅｔ．ａｌ．，２００７）。Ｚｈａｎｇら（２００５年）によって提案された構造とは対照的に、その光学挙動は、これらの構造内の電磁波間における１組の複雑な干渉に基づいていた。「ｓ」偏波に対するものを含む負の屈折率が生じることを可能にするのは、ワイヤに沿った定常波の存在である。

これらの様々な熱源は、例えばシャッタなどの機械的解決策のみでスペクトル全体の放射を抑制する（または事実上抑制する）ことができる限りは、切り替えることができない。また、放射が弱まる対象範囲からウィーン波長λｗが大きく外れるまで、線源の温度を変更することによって、スペクトル上で放射の位置をシフトしてもよく、さらにこの手法は高い慣性を有する。しかしながら、放射機構は全く抑制されない。

さらに、その放射帯域において指向性変調可能な指向性熱源を得るために一般に実行される一解決策は、
− ワイヤ、フィラメントまたはストリップなどの弱指向性赤外放射線源と、
− 例えば、放物線状または放物面状の反射面などの、放射線を望ましい方向に集中させることができる機械装置であって、その配向が変更され得る機械装置と
を関連付けることにある。ガラス光学部品は一般に中赤外域で使用できず、これらの波長に適した代替材料（ＺｎＳｅ、Ｇｅ、ＣｓＩ）からなる光学部品は、高価かつ脆弱である。

このようにして得られる切替え（オン／オフ）および変調（放射方向の変更）機能は、一動作状態が別の動作状態に変更される場合に、慣性の面で、さらに嵩の面で欠点を有する。光学部品（反射面）は、十分な指向性を得るために実際の線源よりはるかに大きくなければならない。

要約すると、切替可能でない指向性熱源と、外部装置（シャッタ、反射器）がなければ変調可能ではなく、さらに切替えがかなり遅い切替可能な線源とが存在する。

したがって、特に、満足のいく遠方界放射レベルの提供、放射率の指向性制御、製造の容易さ、その放射帯域での切替え、および嵩の低さの点で、前述の要件すべてを同時に満たす赤外放射線の非ワイヤ線源が今日もなお必要とされている。これが必要とされている応用分野は特に、赤外分光法の分野だけでなく、ある種の迅速性が要求されるあらゆる状況における加熱分野（食品加工、健康、化学工程の制御、着座している、または立っている人の個別暖房など）である。

本発明の主題は、結晶相と、一般に高温相である非晶相とを有する金属絶縁体転移（ＭＩＴ）材料から特になる外部層を有する基板を備える指向性熱源である。この指向性熱源は、２つの異なる構成、
− 外部層の材料が結晶状態にある場合の非放射線源（黒体の放射率に対して非常に低い放射率）、および
− 外部層が、次いで回折格子を形成するハイブリッド結晶／非晶状態にある場合の、線源と同じ温度における黒体の放射に類似した放射を備えた高放射率指向性線源
で動作する。

一構成から別の構成への切替えは、ＭＩＴ材料の臨界転移温度Ｔｃで可逆的に起こり、この温度Ｔｃに対応する波長λｃは、線源の放射範囲にある。この切替えは、任意選択でパルス化される電流の作用下で電気的に、または可変温度場を画定するように配置された熱源の作用下で実際に熱的に達成される。

必要ならば、絶縁層は、線源の他の領域におけるＭＩＴ材料中の相転移、特に外部層の表面下の相転移を防ぐ。

さらに正確には、本発明の主題は、赤外帯域における指向性放射線の線源において、少なくとも
− 基板と、
− 対応する波長が赤外帯域にある温度Ｔｃで相変化し、かつ結晶相および非晶相を有する金属絶縁体転移材料からなる制御可能セルを備える外部層と、
− 制御可能セルが非晶相に制御される場合に、この外部層内に回折格子を形成するように制御可能セルの相変化を制御するための制御手段と
を備えることを主に特徴とする線源である。

したがって、指向性線源であって、Ｔｃに対するその温度に応じて切替可能な指向性線源が得られる。したがって、薄い外部膜に対して、および温度の微小変化に対してのみ温度を変えることによって、線源に提供される熱出力をオン／オフに切り替えることで得られる効果と同じ効果が得られる。したがって、有利には、切替可能赤外線源を得ることができる。

回折格子は有利には、周期的である。

本発明の一特徴によれば、制御手段は電気的であり、任意選択で電気パルスの発生器を備える。

制御手段は、セル群であって、各群が可変数のセルを備えるセル群を制御可能であってもよい。

線源は、制御手段を監視するための手段を備え、その手段は、格子の空間特性を修正するように、したがって放射方向が変調され得る切替可能指向性線源をもたらすように構成されることが好ましい。

選択される基板は、有利には、表面モードを支持することができる材料からなる。選択される基板は、外部層の材料と同じ材料からなってもよい。

本発明の別の特徴によれば、外部層は、前記金属絶縁体転移材料からなる均一外部下層と、空間的変化に応じて外部下層内に前記セルを形成するための空間的可変熱伝導性の下部下層とを備え、セルを集合的に制御するための制御手段は、空間的可変熱伝導性の下層の介在によって加熱が変調される単一の熱的または電気的制御部からなる。格子は、空間的可変熱伝導性のこの下層の構造によって、自然かつ集合的に確実に形成される。

金属絶縁体転移材料は、バナジウム酸化物またはチタン酸バリウムまたはさらにはランタンペロブスカイトからなる群に属する。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して非限定例として示す以下の詳細な説明を読めば明らかとなる。

上で説明した、先行技術による例示的赤外放射線源を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。本発明の第１の電気的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の断面図を概略的に示す。温度の関数としての、ＶＯ_２材料についての１５５０ｎｍにおける反射率のヒステリシスサイクルを示す。８．５μｍで放射する本発明による例示的熱源について、黒体の熱放射に対して％で表された、方向の関数としての熱放射（したがって、プロットされている放射率εである）を示す。上述から分かるような例示的切替可能指向性放射線源構造、すなわち回折格子が作動しない、層のｘｙ平面内における１Ｄ周期格子を概略的に示す。上述から分かるような例示的切替可能指向性放射線源構造、すなわち回折格子が作動する、層のｘｙ平面内における１Ｄ周期格子を概略的に示す。上述から分かるような例示的切替可能指向性放射線源構造、すなわち回折格子が作動する、層のｘｙ平面内における２Ｄ周期格子を概略的に示す。放射方向が回折格子の周期に応じて変調される例示的切替可能指向性放射線源構造の断面を概略的に示す。放射方向が回折格子の周期に応じて変調される例示的切替可能指向性放射線源構造の断面を概略的に示す。放射方向が回折格子の周期に応じて変調される例示的切替可能指向性放射線源構造の断面を概略的に示す。対応する放射方向の断面を概略的に示す。本発明の別の熱的に制御された実施形態による、例示的切替可能指向性放射線源構造の斜視図を概略的に示す。

図ごとに、同じ要素は同じ参照符号で示している。

図２ａ〜図２ｊに関して、１μｍ〜２０μｍ帯域に含まれる赤外帯域で指向性がある、本発明による切替可能放射線源１００について説明する。

その構造では、この線源１００は少なくとも、
− 基板１０であって、ＭＩＴの臨界温度付近の温度を確保する機能、および、基板１０が作られる材料のウィーン波長を中心とする前記赤外帯域の１次放射線源としての機能を提供し、帯域幅がプランクの法則によって与えられる基板１０と、
− 放射線を方向付けるための外部層２０と
を備える。

外部層２０は、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）材料からなる制御可能セル５１を備える。温度が臨界温度Ｔｃを超えると、相転移が起こり、臨界温度Ｔｃに対応する波長λｃ（転移波長と呼ぶ）は線源の赤外帯域にある。ＭＩＴは、結晶相、ひいては１１で参照される絶縁相と、金属であるため電気的かつ熱的に伝導性である、１１’で参照される非晶相とを有する。これらのセル５１は、それらの温度変化、ひいてはそれらの相変化を制御するための、図４および図６に示す電気的または熱的手段と関連付けられる。

第１の実施形態によれば、セルは以下の方法で形成される。図２ａ〜図２ｊを参照する。

基板１０は、材料１２であって、その材料のウィーン波長を中心とする赤外帯域で放射線の放射を確実に放射する材料１２からなる。材料１２は、例えば、ＶＯ_２、ＬａＣｒＯ_３などのＭＩＴ材料、またはＳｉＣ、ＳｉもしくはＳｉ_３Ｎ_４などの非ＭＩＴ材料に関し、その厚さは、図２ａおよび図２ｂに示すように、熱波長と同程度またはそれより大きい。選択される材料は、線源が動作しなければならない波長によって決まる。

一代替形態によれば、基板は、図２ｃ〜図２ｊに示すように外部層のＭＩＴ材料と同じＭＩＴ材料からなってもよいが、結晶状態１１のままであることが意図され得る。この目的のために、例えば、通常、厚さ１０ｎｍ〜５０ｎｍのＳｉＯ_２または窒化ケイ素の電気的および熱的絶縁層１５は、外部ＭＩＴ層２０が蒸着される前に化学蒸着（ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤなど）によって基板１１上に、かつ、基板の表面全体上に蒸着され、次いで、操作中、図２ｂに示すセルの非晶状態１１’に関連したより高い温度が基板１１に伝わらないよう図２ｃに示すようにエッチングされる。

厚さ約２μｍのＭＩＴ層が、陰極スパッタリングまたはＰＬＤによって基板１０または絶縁層上に蒸着される。このＭＩＴは通常、
− λｃ≒５．５μｍに対応するＴｃ＝５３０°ＫのＬａＣｒＯ_３、または
− λｃ≒７．４μｍに対応するＴｃ＝３９３°ＫのＢａＴｉＯ_３、または
− λｃ≒８．５μｍに対応するＴｃ＝３４０°ＫのＶＯ_２、または
− λｃ≒１８μｍに対応するＴｃ＝１６０°ＫのＶ_２Ｏ_３
である。

選択されるＭＩＴ材料は、転移波長λｃが基板１０のウィーン波長に最も近い材料であることが好ましい。より具体的には、転移は、Ｃ平面サファイヤ基板、この場合、Ａｌ_２Ｏ_３上に蒸着されたＶＯ_２の７５ｎｍ厚試料について図３ａに示すようなヒステリシスサイクルを示すため、Ｔｃ（ひいてはλｃ）は、平均転移温度（それぞれ波長）である。ＴｃはＴｃ_下降とＴｃ_上昇との平均である。

このＭＩＴ膜には、図２ａ〜図２ｊに示すような凹みを形成するために、例えば光リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、反応性イオンエッチングまたはナノインプリントリソグラフィによって、溝のパターンが付けられている。したがって、空気１５’で互いに電気的かつ熱的に絶縁されている凹みの形をとるセル５１、５３が、図２ａ、図２ｂ、図２ｉおよび図２ｊに見られ得るように得られる。通常、幅が約２μｍで、深さが約２００ｎｍの凹みが生成される。この幅は、有利には、検討する範囲の放射を可能にし、２個のセルのうちの１個が切り替えられるか、またはｍ個中のｎ個の隣接するセルを集合的に切り替えることができる。ｎおよびｍは、１０未満の小さい数である。言うまでもなく、溝は、次いで円形セル、とりわけ格子縞パターンを形成するセルを得るために別の方向に形成され得る。

別の代替形態によれば、凹みは、図２ｅおよび図２ｈに示すように基板１１上に直接形成される。これらの凹みは、図２ｆに示すように絶縁体１５で（凹みの壁および底部を）被覆され、次いで、ＭＩＴ材料１１が、図２ｇに示すようにこれらの凹み内に蒸着される。一変形形態によれば、絶縁体１５の層は、壁ではなく凹みの底部に蒸着され、次いでＭＩＴ１１が、凹み内に蒸着され、図２ｉおよび図２ｊに示すように、凹みの壁とＭＩＴ１１との間に絶縁空隙１５’を確保するために溝が形成される。

これらのセル中で、特定（またはすべて）のものが、それらの相転移を制御するための制御手段と関連付けられ、次いで、制御可能セル５１になり、残りのセル５３が制御不能になる。線源が、結晶／非晶状態の特定のシーケンスを形成するハイブリッド構成である場合、すなわち、特定のセルが非晶状態にある場合、前記セルは、図２ｂ、図２ｊ、図４ｂおよび図４ｃに示すように、基板／外部ＭＩＴ層の界面に存在する場の放射パターンを修正する回折格子５０を形成する。

この格子５０は、周期的で、層の平面（ｘｙ）内で１次元または２次元であり、例えば円形または格子縞であることが好ましい。格子の周期Ｐは、関係式Ｐ〜λ_Ｗ／（２ｎ）によってウィーン波長に関係することが想起され、ｎは媒体の屈折率である。しかしながら、これらのセルは、次いで放射方向が２倍、４倍または６倍の配向対称性（２ｐｉ／２、２ｐｉ／４および２ｐｉ／６による回転の不変量）を有しないであろう非周期回折格子を形成することができるであろう。そのような格子の例には、準結晶またはペンローズタイプのタイルがある。またブレーズド格子によっても、放射の方位対称性を崩すことができるであろう。

ＭＩＴ基板の場合には、ＭＩＴ基板が外部層２０との界面で、表面ポラリトンとも呼ばれる表面モードを支持し、したがって、その遠方界放射は弱い。外部層２０がハイブリッド結晶／非晶構成であり、セルが回折格子５０を形成する場合、基板１０に支持される表面モードは、次いで前記格子５０によって回折され、熱放射は、近傍界だけでなく遠方界においても指向性を持つ。図３ｂは、本発明による熱源についての８．５μｍにおける熱放射を示し、放射は、
− 純粋な結晶相（曲線ａ）では無指向性で、非常に弱く、
− ハイブリッド相（曲線ｂ）では指向性で、約＋５０°および−５０°を中心とする。

ＭＩＴ基板と外部層との間に絶縁層１５がある場合、絶縁層１５の厚さは、表面モード（すなわち基板／絶縁体の界面に存在するモード）の減衰長に対して小さくなるように選択される。次いで、表面モードは絶縁体に途中まで入り込み、外部層２０の格子５０によって回折される。

基板１０は、外部層２０または絶縁体１５との界面で表面モードを支持することができる材料からなることが好ましく、これはＭＩＴまたはＳｉＯ_２の場合である。そうでない場合、基板は、また格子によって回折されるエバネッセント場を支持するが、次いで、放射は指向性が非常に弱まる。

格子は、すべてのセルが制御可能かどうかに応じて異なって得られ得る。
− すべてのセルが制御可能５１である場合には、格子は、要求される回折格子に応じて、特定のセルを非晶状態に、他のセルを結晶状態に制御することによって得られる。
− 一変形形態によれば、ＭＩＴ材料のセルに関する場合、特定のセル５３は制御可能ではなく、絶縁状態ひいては結晶状態１１のままである。格子は、特定の他のセル（したがって、これらのセルは制御可能な群５１に属する）またはこれらの制御可能セルのすべてを非晶状態に制御することによって得られる。後者の場合を図示する。
○平面ｘｙ内の１次元周期格子５０についての図４ａおよび図４ｂは、
− （Ｉ＝０の時）すべてのセル（制御可能セル５１および制御不能セル５３の両方）が結晶状態１１にあり、したがって回折格子を形成せず（図４ａ）、
− （Ｉ＝Ｉ_０の時）制御可能セル５１が非晶状態１１’にあり、制御不能セル５３が結晶状態１１にあり、それによって共に回折格子を形成する（図４ｂ）
ことを示す。
○平面ｘｙ内の２次元周期格子５０についての図４ｃは、（Ｉ＝Ｉ_０の時）制御可能セル５１が非晶状態にあり、制御不能セル５３が結晶状態にあり、制御可能セルおよび制御不能セルが共に回折格子を形成することを示す。

見てきたように、ＭＩＴセル５１を制御するための手段は電気的であってもよい。これらの手段は、ＭＩＴセルを迅速に切替可能にするために、例えば約１００ｎｓ〜１μｓ毎に任意選択でパルス化される電流の発生器に接続された電極５２を備える。セル５１は、例えば数十ｍＷ／ｃｍ^２未満の低い電力しか必要とせず、それによって、線源に対して１０％よりもはるかに低い有用電力／総電力比を達成することができる。

セル５１は群で制御されてもよく、１群当たりのセルの数は、場合によっては任意選択で群によって異なる。セルはさらに個々に制御されてもよく、このことは、１群当たり単一のセルの場合に対応する。図４ａ〜図４ｃでは、セル５１は凹み（平面ｘｙ内の１Ｄ格子）の形をとるか、または格子縞パターン（平面ｘｙ内の２Ｄ格子）を形成し、個々に制御される。

公式
Ｋ_ｍ＝（２π／λ）ｓｉｎθ＋ｍ２π／Ｐ
によって示されるように、線源の放射方向は、回折格子５０の周期および次元に依存する。ここで、Ｋ_ｍは次数ｍの回折波の平行成分であり、θは放射角度、Ｐは格子周期である。

セルの周期の整数倍である格子の周期を選択するように、セルを制御することができる。

次いで、それぞれ図５ａ、図５ｂおよび図５ｃの格子に対応する、１波長について図５ｄに示すような放射率曲線（曲線ａ、ｂおよびｃ）から分かるように、格子の周期Ｐを変更することによって、線源の放射方向が変調される。したがって、格子の周期および／または次元は所望の方向に応じて設定される。

この目的のために、例えば図５ａに示すように、要求があり次第または自動的に、セルによって形成される回折格子５０に望ましい空間特性、特にその所望の周期（もしくは１つの周期しか有していなければ、任意選択で周期）および／もしくは、その所望の次元に応じて能動的にこれらのセル５１を修正することができるように、セル５１を制御するための手段は、有利には、監視手段によって監視される。Ｐが図５ａの格子の方向Ｏｘの周期である場合、１周期当たり２個のセルがあり、そのうちの（２個中）１個のセルは、非晶になるためのものである。図５ｂおよび図５ｃの格子は、１周期当たり４個のセルを備えた新規の周期Ｐ_格子＝２Ｐを有し、図５ｂの格子では、そのうちの（４個中）２個のセルが非晶になるためのものであり、図５ｃの格子では、そのうちの（４個中）１個のセルが非晶になるためのものである。例えば、Ｐ＝２．２８２μｍではＰ格子＝４．５６５μｍである。

電気切替装置の必要性および本実施形態が示唆するセルを扱う必要性をなくすために、図６に関して説明する本発明の別の実施形態によって、格子を装置規模でより自然に形成することができる。この別の実施形態では、外部層２０は、
− 前記金属絶縁体転移材料からなる均一外部層２２であって、溝のパターンが付けられておらず、エッチングもされていない点で均一である層２２と、
− 外部下層２２内に得るべきセルのパターンに応じて空間的に変調される熱伝導率を有する下部層２１とを備える。それは通常、熱伝導率がはるかに低いＳｉＯ_２のゾーンを画定することができるように、マスクを介して、したがって空間的選択性を有して表面が熱酸化されているＳｉの層に関する。シリコンの熱伝導率は約１３０Ｗ／°Ｋ／ｍであり、シリカの熱伝導率は約１．４Ｗ／Ｋ／ｍ、すなわち約１００倍低いことが想起される。この下層２１の熱伝導率は、電気的手段によって制御される。上に示したように、この熱伝導性下層は、外部下層との界面で表面モードを支持する材料からなることが好ましい。

基板１３は、伝導によって余剰熱を温度層から取り除くことができるように、通常熱伝導性のＳｉ基板である。

次いで、セルは、この高熱伝導率層を介して熱的に形成される。具体的には、この熱伝導性下層は、最初は均一な電流の水平フラックスの作用下で他のゾーン２１ｂより熱くなるための空間ゾーン２１ａを備えるため、まずは最も冷却されず、最も良好に断熱されているゾーンに対して転移が起こり、それによってそれらの電気伝導率を増加させ、その結果、フラックス線が、良好に断熱された高温ゾーン２１ａの上の外部層２２内に生じ、したがって先の実施形態のセルと類似したセルが生成される。この熱伝導性下層２１はまた、セルを制御する。この場合、それは装置規模制御に関する。

その実施形態が何であっても、この線源は、ワイヤ線源ではなくむしろ平面または、ほぼ平面の線源、すなわち厚さに対して曲率半径が大きい線源である。その面積は、格子の周期に応じて決定される。その面積は、通常少なくとも１０周期を備えなければならない。したがって、１０μｍを中心とする赤外線源、および４．５μｍ周期の１Ｄ格子では、その面積は０．５×０．５ｍｍ^２より大きい。

このタイプの線源の応用分野については、
− 家庭用加熱システム、またはより一般には、熱流量を管理するためのシステム、
− 工業プロセス（化学反応、接着など）の熱制御、
− 食品加工分野（オーブン、乾燥、凍結乾燥など）
− ガスを分析するために使用される赤外分光法、および
− ステルス赤外線源
が言及され得る。

Claims

赤外帯域における指向性放射線の線源（１００）において、少なくとも基板（１０）と、金属絶縁体転移材料であって、対応する波長が前記赤外帯域にある温度Ｔｃに対するその温度に応じて相変化し、かつ結晶相（１１）および非晶相（１１’）を有する金属絶縁体転移材料からなる制御可能セル（５１）を備える外部層（２０）と、前記セル（５１）が前記非晶相に制御される場合に、前記外部層（２０）内に回折格子（５０）を形成するように前記セルの前記相変化を制御するための制御手段とを備え、したがって、切替可能指向性線源をもたらすことを特徴とする、線源（１００）。
前記回折格子（５０）が周期的であることを特徴とする、請求項１に記載の放射線源。
前記制御手段（５２）が電気的であることを特徴とする、請求項１または２に記載の放射線源。
前記制御手段が、セル群であって、各群が可変数のセルを備えるセル群を制御可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線源。
前記放射線源が、前記制御手段を監視するための手段を備え、前記監視手段が、前記回折格子（５０）の空間特性を修正するように、したがって放射方向が変調され得る切替可能指向性線源をもたらすように構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線源。
前記基板（１０）が、表面モードを支持することができる材料からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線源。
前記制御可能セル（５１）が、熱的および電気的絶縁体（１５、１５’）によって囲まれていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の放射線源。
前記セル／基板絶縁体（１５）がＳｉＯ_２の層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の放射線源。
前記基板（１０）が、前記外部層（２０）のＭＩＴ材料と同じＭＩＴ材料からなることを特徴とする、請求項７または８に記載の放射線源。
前記電気制御手段が、電気パルスの発生器を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の放射線源。
前記制御可能セル（５１）を備える前記外部層（２０）が、前記金属絶縁体転移材料からなる均一外部層（２２）と、空間的変化に応じて外部下層内に前記セル（５１）を形成するための空間的可変熱伝導性の下部下層（２１）とを備えること、および、前記セルを集合的に制御するための前記制御手段が、空間的可変熱伝導性の前記下層（２１）の介在によって加熱が変調される単一の熱的または電気的制御部からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の放射線源。
前記金属絶縁体転移材料が、バナジウム酸化物またはチタン酸バリウムまたはランタンペロブスカイトからなる群に属することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の放射線源。