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机构

1 篇 山东师范大学

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1 篇 中文

检索条件"主题词=法布里-珀罗型连续域束缚态"

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基于微纳结构的新型中红外热辐射源的研究

基于微纳结构的新型中红外热辐射源的研究

引用

作者：李雪山东师范大学

学位级别：硕士

中红外（Mid-infrared,MIR）波段因其对分子振动共振的敏感性而被广泛视为分子指纹区,这使得MIR技术在环境气体传感、生物医学诊断、高光谱成像和工业过程控制等领域具有不可或缺的应用价值。尽管量子级联激光器（Quantum cascade laser... 详细信息

中红外（Mid-infrared,MIR）波段因其对分子振动共振的敏感性而被广泛视为分子指纹区,这使得MIR技术在环境气体传感、生物医学诊断、高光谱成像和工业过程控制等领域具有不可或缺的应用价值。尽管量子级联激光器（Quantum cascade laser,QCL）由于其高光谱纯度和大输出功率的优势而代表了MIR源领域最先进的技术,但是其复杂的结构和高成本的制造导致应用无法普及。因此,在实际的应用中,具有经济效益的热辐射源成为了产生MIR辐射的最佳选择之一,并且在气体传感、红外成像和热光伏等应用方面发挥着至关重要的作用。热辐射是由物体中的各种热波动引起的,通常是宽带、全向、非相干和无偏振的。近年来,随着光子学和微纳加工技术的飞速发展,基于各种新物理机制或工作原理的超表面和光子晶体等各种人工微纳结构为热辐射的调控提供了前所未有的可能性。具有高光谱分辨的窄带热辐射源在光学通信、光学传感等领域具有重要的作用。所以科学家们一直致力于制造成本低、结构简单、带宽窄且效率高的MIR热辐射器件的研究。近年来,准连续域束缚态（Quasi-Bound states in the continuum,QBIC）的概念成为了光子学中实现高品质因子（Quality factor,Q因子）共振的一种热门方法,这种方法极大地增强了光与物质之间的相互作用。因此,本论文考虑利用BIC提供的高Q因子特性来实现超窄带宽且高效的MIR热辐射源,从而为实现具有成本效益的优异光源提供重要的指导。本论文的第一项工作:我们设计了一种基于法布里珀罗（Fabry–Pérot）型BIC（FP BIC）的窄带MIR热辐射源并进行了实验验证。当支持米氏共振（Mie resonance）的高折射率介电圆盘与高反射衬底之间被适当厚度的低折射率间隔层分离时,圆盘阵列支持的共振与其镜面反射之间的相消干涉导致FP BIC的产生。通过调控结构的几何尺寸以及缓冲层的厚度,QBIC共振可以被设计到MIR区域并且能够实现超高的Q因子。我们首先利用全波计算工具COMSOL Multiphysics软件设计了结构参数,并仿真了结构的吸收特性来表征其发射特性。然后,使用标准的纳米制造技术加工了热辐射源器件。最后将整个器件置于发射测量装置中,利用傅里叶变换红外光谱仪对其不同温度下的发射特性进行表征和分析。结果表明,即使充分考虑材料吸收损耗和加工带来的侧壁损耗,器件也能够在4.5852μm的波长下实现较高发射率且窄带的输出光谱,这与理论仿真几乎一致,验证了我们的方法能够实现优异的光源,从而具有潜在的实际应用前景。本论文的第二项工作:我们提出了一种基于准导模（Quasi-guided modes,QGM）的双波长窄带MIR热辐射源,可以用来实现无滤波器传感。这项工作的基本思想是将双色光作为正交偏振波从同一表面向外辐射,通过精心设计几何参数,在4～7μm宽带范围内,x偏振下仅辐射出4.26μm处近100%发射率的窄带输出,而在y偏振下仅辐射出4.09μm处近90%发射率的窄带输出。也就是说,该热辐射源在宽带范围内两个偏振的输出分别表现出很好的单色性。此外,计算表明,即使考虑到底层金属的损耗,在实现近完美发射的情况下,输出线宽仍然小于3nm。这代表了当前最先进的水平。在这项工作中,器件的发射波长与二氧化碳（CO）气体分子的吸收波长相匹配,因此可以用来检测环境中的CO分子的浓度,同时也可以通过调节结构参数来匹配MIR范围内其他物质的特征吸收。这一研究成果有望成为非色散红外（Non-dispersive infrared,NDIR）系统中的高效光源,从而消除各种复杂的窄带滤波器,为未来传感器技术的发展做出重要贡献。

关键词：微纳结构热辐射源法布里-珀罗型连续域束缚态准导模模式

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