基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源及自由电子光源

1.本发明涉及集成化光源技术领域，尤其涉及一种基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源及自由电子光源。


背景技术：

2.中远红外(mid-far infrared)波，是指波长2.5μm-25μm的电磁波。中远红外波能够与大多数分子发生共振现象，具有较强的热效应，可用于物质的分析和识别。此外，中远红外波抗衍射能力较强，在大气环境中具有较好的穿透能力，更有利于信息的远距离传输。因此，中远红外至太赫兹(thz)区间的电磁波被认为是未来重要的技术之一。
3.切伦科夫辐射(cherenkov radiation，cr)是指当匀速飞行的自由电子速度大于周围介质中光的相速度时产生的电磁辐射。当自由电子速度小于周围介质中的光速时，其周围电磁场在垂直于飞行方向表现为消逝场，无辐射产生。而当自由电子速度大于周围介质中的光速时，垂直方向电磁场表现为传播场，产生电磁辐射即为cr。cr应用广泛，可应用于高能宇宙射线及粒子的探测分析，以及生物医学的电磁学成像等领域。
4.目前，常见的基于双曲材料的切伦科夫红外辐射源是基于人工双曲超材料设计的。双曲超材料(hyperbolic meta-materials，hmms)是指由金属和介质层状堆叠构成的多层膜人工超材料，在特定波段，金属的介电常数εm《0，而介质的介电常数εd》0，形成的多层膜材料整体的等效介电常数在平行于膜层方向和垂直于膜层方向一正一负，因此形成了双曲性质。
5.但是，利用人工构建的双曲超材料制备的自由电子辐射器件存在以下问题：
6.(1)由于双曲超材料的构建要求每层厚度足够小，且层数一般需要大于10层，因此双曲超材料的制备工艺比较复杂，并且材料的性质直接受到加工精度的影响，导致器件的稳定性较差。
7.(2)由于人工双曲超材料中的辐射本质是金属层等离子体的层间耦合，无可避免地具有较大的本征损耗，因此限制了器件的辐射功率密度以及发光强度。
8.(3)由于受到人工制备双曲超材料工艺的影响，双曲超材料的尺寸难以做大，导致相关光源器件难以集成化阵列化，因此限制了器件的输出功率和实用性。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源及自由电子光源，用以解决现有技术中基于人工双曲超材料的自由电子辐射源成本高昂、工艺繁琐、稳定性差等问题，可以大大减小器件制备成本和工艺复杂度，最大程度地规避由于材料加工工艺给器件性能带来的影响。
10.本发明提供一种基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，包括：
11.天然双曲材料层；
12.片上自由电子发射源，设置在所述天然双曲材料层的一侧，所述片上自由电子发
射源包括片上电子源阴极和片上电子源阳极。
13.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，还包括纳米柱阵列提取结构，所述纳米柱阵列提取结构设置在所述天然双曲材料层的另一侧，所述纳米柱阵列提取结构用于提取所述天然双曲材料层的内部产生的切伦科夫辐射。
14.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述天然双曲材料层的材质为方解石、六方氮化硼、石墨、石英、nano3晶体或al2o3晶体。
15.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述天然双曲材料层的厚度小于或等于1mm。
16.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述纳米柱阵列提取结构包括若干间隔设置的纳米柱，各个所述纳米柱的材质为金。
17.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述纳米柱阵列提取结构呈四方排布、六角排布或随机排布。
18.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述纳米柱的直径为10nm至5μm，和/或，相邻两个所述纳米柱之间的距离为100nm至20μm。
19.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述片上自由电子发射源的材质为金、钼、铂、石墨烯或碳纳米管。
20.根据本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，所述片上电子源阴极的形状为针尖形、锯齿形、三角形或圆锥形。
21.本发明还提供一种自由电子光源，包括如上述任一种所述的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源。
22.本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，包括天然双曲材料层和设置在天然双曲材料层一侧的片上自由电子发射源，片上自由电子发射源包括片上电子源阴极和片上电子源阳极。如此设置，通过片上自由电子发射源产生稳定的自由电子束，激励天然双曲材料层中的红外切伦科夫辐射。由于天然双曲材料成本低廉，易于获得，制备工艺简单，相较于人工双曲超材料具有显著优势。同时由于天然双曲材料易于生长且稳定性好、缺陷少，可以最大程度上规避由于材料加工工艺精度给器件性能带来的影响。而且基于天然介质材料，本征损耗更低，使得相应器件辐射功率更大、效率更高且发热更小。此外，基于天然晶体材料，容易实现版图化和阵列化，极大地提高了相关器件的集成度和空间效率，为大功率阵列集成化自由电子光源提供了可能方案。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的立体图；
25.图2是本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的主视图；
26.图3是本发明提供的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的仰视图；
27.图4是本发明提供的方解石晶体的结构示意图；
28.图5是本发明提供的方解石晶体的垂直于光轴方向的介电常数(ε
x
，εz)分布图；
29.图6是本发明提供的方解石晶体的平行于光轴方向介电常数(εy)分布图；
30.图7是本发明提供的44thz频点处方解石晶体的等频率波矢图；
31.图8是本发明提供的单个纳米柱提取方解石晶体中cr模式示意图；
32.附图标记：
33.1：天然双曲材料层；2：片上电子源阴极；3：片上电子源阳极；4：纳米柱阵列提取结构；41：纳米柱。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
35.下面结合图1至图8描述本发明的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源。
36.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，包括天然双曲材料层1和片上自由电子发射源。具体来说，天然双曲材料层1呈片状或条状，当然也可为其他图形，其具体形状可根据实际设计要求而定。天然双曲材料(natural hyperbolic materials)是指在特定波段具有各向异性双曲性质的天然介质材料，其中双曲性质指该材料在特定频率范围内某个特定方向(晶向)介电常数为负，其余方向介电常数为正，此时该材料等频率波矢图(iso-frequency contour，ifc)呈现双曲线型。天然双曲材料中可以支持极大波矢电磁模式的耦合传输，因此具有极大的光学局域态密度，可用于集成化光源的制备。同时，自由电子可以在天然双曲材料中激励起无阈值切伦科夫辐射，有望制备出基于天然双曲材料的自由电子光源。
37.如图2所示，片上自由电子发射源设置在天然双曲材料层1的一侧。具体地，片上自由电子发射源包括片上电子源阴极2和片上电子源阳极3，分别设置在天然双曲材料层1的左右两端。片上电子源阴极2的结构根据不同的实验方案有所不同，主要包括针尖电子源、片上金属电极等。片上电子源阴极2工作时施加高负偏压，用于发射稳定的自由电子束，激励天然双曲材料层1中的红外切伦科夫辐射。直流电子束的电子能量为0.1kev至5kev，电流为10na至100μa，电子束束斑直径为100nm至100μm量级，不同类型的片上电子源性能有所差异。片上电子源阳极3作为电子收集极，用于接收飞过天然双曲材料层1表面的电子。片上电子源阳极3工作时施加正偏压，使得阴阳极之间的空隙产生极大的单向电场，有助于实现阴极发射的真空电子束的定向飞行并与天然晶体高效相互作用。其中，片上自由电子发射源的类型不限，并可根据实际器件需求灵活调整阴阳极间距即自由电子作用距离。需要说明的是，以如图2所示的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的摆放位置来说，图中左右方向即为所指左右方位。
38.如此设置，通过片上自由电子发射源产生稳定的自由电子束，激励天然双曲材料中的红外切伦科夫辐射。由于天然双曲材料成本低廉，易于获得，制备工艺简单，相较于人工双曲超材料具有显著优势。同时由于天然双曲材料易于生长且稳定性好、缺陷少，可以最大程度上规避由于材料加工工艺精度给器件性能带来的影响。而且基于天然介质材料，本
征损耗更低，使得相应器件辐射功率更大、效率更高且发热更小。此外，基于天然晶体材料，容易实现版图化和阵列化，极大地提高了相关器件的集成度和空间效率，为大功率阵列集成化自由电子光源提供了可能方案。
39.进一步地，基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源还包括纳米柱阵列提取结构4，用于提取天然双曲材料层1内部产生的红外切伦科夫辐射。如图2所示，纳米柱阵列提取结构4设置在天然双曲材料层1的另一侧。需要说明的是，自由电子在天然介质材料内部激励起来的cr模式本质上是天然介质材料的声子极化激元，例如对于方解石晶体，或者是天然介质材料的表面等离激元，当cr传播至天然介质材料表面时，由于材料和真空环境之间的巨大折射率差而被束缚在材料内部。通过设置纳米柱阵列，传播至天然介质材料表面的声子激元模式或表面等离激元会在纳米柱位置形成局域共振模式，在纳米柱位置实现辐射场的局域增强，并实现较大的波矢匹配，从而实现从晶体声子极化激元或表面等离激元到真空辐射模式的提取。这样设计，利用纳米柱边缘的波矢补偿效应对传播至天然介质材料表面的声子激元或表面等离激元cr模式实现散射提取，其功率提取效率可以高达10％至20％，远超于现有常用的狭缝提取光栅结构。
40.需要说明的是，纳米柱阵列提取结构4包括若干间隔设置的纳米柱41。具体地，如图3所示，各个纳米柱41为完全相同的圆柱形结构，因此纳米柱阵列提取结构4由尺寸形状相同的若干纳米柱进行阵列化集成。并且，各个纳米柱41的材质为金。由于金在中远红外波段是一种近似理想的金属材料，因此金纳米柱附近可以获得较强的局域模式，从而实现场的高效提取。此外，金纳米柱阵列制备所涉及到的解理、光刻、镀膜、电子束光刻、剥离等工艺均为成熟的光电子器件加工技术，已广泛应用于市场产品中，工艺稳定且成本低廉。
41.本发明实施例中，天然双曲材料层1的材质为方解石、六方氮化硼、石墨、石英、nano3晶体或al2o3晶体。其中，方解石材料在自然界中易获得，并且人工制备容易，价格低廉，相比于现有的基于人工层状双曲超材料的辐射源具有显著优势。同时如图7所示，其在远红外具备双曲区间且损耗较低，是适合制备红外辐射源的优秀材料。因此，本实施例将自由电子无阈值切伦科夫辐射和天然双曲材料方解石结合，制备出片上集成的高强度自由电子红外辐射源。具体地，天然双曲材料层1可以通过天然方解石晶体解理抛光得到，也可以人工生长获得。此外，方解石晶体的解理抛光等工艺均为成熟的光电子器件加工技术，已广泛应用于市场产品中。
42.需要说明的是，方解石材料是一种自然界常见的光学各向异性晶体材料，主要组分是碳酸钙，是一种典型的三方晶系单光轴晶体，光轴方向垂直于晶体(001)晶面。图4所示为方解石晶体示意图，图中晶体样品上表面为(001)晶面，双向箭头所指方向为光轴方向，光轴垂直于晶体样品上表面。其中，xyz三个方向上的介电常数可如下式表示：
[0043][0044]
其中，ε
⊥
和ε
∥
分别代表材料垂直和平行于光轴方向的介电常数。在中远红外波段(40thz至50thz)，方解石的介电常数实部的分布如图5和图6所示。从图中可以看到在42.1thz至46thz频段，ε
⊥
为负值，ε
∥
为正值。选取44thz频点作为目标，则方解石两个方向上的介电常数分别为ε
⊥
＝-3.4005，ε
∥
＝2.1374。此时，假设材料在x方向上是无穷大的，则有
方解石材料内的电磁模式色散关系如下式：
[0045][0046]
其中，c为光速，ω为44thz对应的角频率。根据上式可以绘制出44thz频点方解石材料的等频率波矢图(ifc)，如图7所示。显然，此时等频率波矢图为开口向z方向的双曲线型，称为一类双曲性质，因此称方解石为天然双曲材料。在一类双曲区间内，自由电子消逝场激励起的切伦科夫辐射不存在任何电子速度条件限制。由此可知，在天然双曲材料中支持低电子能量激励的切伦科夫辐射，称为无阈值切伦科夫辐射，可以用于制备片上集成的辐射器件。由于方解石双曲区间位于42.1thz至46thz频段，因此本实施例所提出的器件即为该频段的集成化自由电子光源。
[0047]
根据无阈值切伦科夫辐射的理论，方解石中的声子激元模式的等效折射率可以通过下式计算得到：
[0048][0049]
其中，v0为电子速度，带入44thz处的各向等效介电常数取值，可以计算出当激励自由电子动能为1kev即电子速度约为1.87
×
107m/s时，材料内部声子激元模式的等效折射率可高达约25.75，相比于一般的介质材料大很多。cr模式被限制在方解石晶体内部无法辐射至自由空间，为器件的实用化带来困难。因此，为了高效提取膜内cr，本实施例采用金纳米柱阵列结构进行电磁模式的提取。单个金纳米柱(au nanodisk)对cr模式的提取原理示意图如图8所示，自由电子在方解石晶体内部激励起来的cr模式本质上是方解石(calcite)的声子极化激元。
[0050]
当cr传播至方解石表面时，由于材料和真空(vaccum)环境之间的巨大折射率差而被束缚在材料内部。通过设置尺寸合适的金纳米柱，传播至方解石表面的声子激元模式会在纳米柱位置形成局域共振模式，在纳米柱位置实现辐射场的局域增强，并实现较大的波矢匹配，从而实现从晶体声子极化激元到真空辐射模式的提取。
[0051]
本发明实施例中，天然双曲材料层1的厚度小于或等于1mm，例如可为1μm至1mm不等。根据器件需求，其表面尺寸可以从100μm至1cm不等。如图2所示，天然双曲材料层1采用方解石晶体，其上下表面可以是晶体的任意晶面的解理面，也可以是非晶面的抛光剖面，表面应尽量平整以更有利于自由电子消逝场与之相互作用。方解石的主要作用是利用其各向异性和天然双曲性质，耦合自由电子消逝场产生无阈值切伦科夫辐射，进而产生红外辐射。需要说明的是，以如图2所示的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的摆放位置来说，图中上下方向即为所指上下方位和天然双曲材料层1的厚度方向。
[0052]
于本发明实施例中，纳米柱阵列提取结构4呈四方排布、六角排布或随机排布，从而可以实现对不同频率方解石cr模式的高效提取。例如，如图3所示为四方排布。若呈六角排布，则可以进一步提高空间利用率。若呈随机排布，则杂乱排列，主要用于辐射的宽谱提取。当然，纳米柱阵列的排布方式包括但不限于四方排布、六角排布和随机排布等，可根据实际设计需求具体确定。
[0053]
在本发明的可选实施例中，纳米柱41的直径为10nm至5μm，和/或，相邻两个纳米柱
41之间的距离为100nm至20μm。从而通过不同的纳米柱直径和不同的排布周期，可以实现对不同目标频点辐射的提取。此外，纳米柱阵列的制备可通过电子束光刻、金沉积工艺和剥离工艺等完成，这些均属于相当完善成熟的加工工艺，因此制备成本低、时间快、效果好，有利于器件的大面积集成化制备及应用。
[0054]
于本发明的具体实施例中，片上自由电子发射源的材质为金、钼、铂、石墨烯或碳纳米管。采用钼、铂等高击穿阈值的金属制备片上自由电子发射源属于已较为成熟的工艺技术，可通过微纳加工工艺将其制备在方解石晶体表面，其工艺稳定且成本较低。
[0055]
需要说明的是，片上电子源阴极2的形状可设计为针尖形、锯齿形、三角形或圆锥形。这样可降低电子发射的电场阈值，并减小发射电子束的束斑，增大发射电流，更有利于电子束的定向定位发射，以及利于器件集成。
[0056]
结合上述各个实施例，对本发明的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源进行具体的说明。本发明实施例提供了一种基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源，包括天然双曲材料层1、片上电子源阴极2、片上电子源阳极3和纳米柱阵列提取结构4。其中，天然双曲材料层1采用方解石晶体，纳米柱阵列提取结构4采用金纳米柱阵列提取结构。该辐射器件利用真空中飞行的自由电子在方解石晶体中激励的无阈值切伦科夫辐射产生红外辐射，同时与现有成熟的片上电子源工艺集成制备全集成片上器件。
[0057]
相较于人工双曲超材料，天然双曲材料如方解石等，多为天然晶体，在自然界中大量存在同时也极易人工大量制备，因此基于天然双曲材料的光电子器件制备成本和工艺复杂度都大大减小，同时由于晶体材料易于生长且稳定性好缺陷少，可以最大程度上规避由于材料加工工艺精度给器件性能带来的影响。其次，因为方解石晶体不含有金属成分，自由电子在其中激励起的切伦科夫辐射以声子极化激元的形式传播，相较于人工双曲超材料的等离子体层间耦合具有明显更低的损耗，使得相应器件辐射功率更大、效率更高且发热更小。再次，无论是天然还是人工生长的方解石晶体，其尺寸都可以轻易达到厘米量级，相比于一般仅有百微米量级的人工双曲超材料增大了10
3-4
倍，极大地提高了相关器件的集成度和空间效率，为大功率阵列集成化自由电子光源提供了可能方案。
[0058]
综上所述，本发明应用了全新的物理机制，利用低成本的天然双曲材料方解石制备全集成小型化的片上中远红外辐射源，工艺成熟、价格低廉，可以在微米-毫米量级的芯片上实现微瓦量级的输出，实现自由电子辐射红外光源的方案，以解决现有基于人工双曲超材料的自由电子辐射源成本高昂、工艺繁琐、稳定性差等问题。同时也可以将片上cr器件的应用频段扩展到中远红外波段，为集成红外辐射源提供了一种崭新的研究思路和方向，具有物理理论和器件应用的双重意义。
[0059]
此外，基于天然介质材料，辐射产生基于方解石的声子极化激元，相比于人工双曲超材料的金属层等离子体逐层耦合的原理，本征损耗更低，因此理论辐射功率提高1-2个数量级。同时利用新型金纳米柱阵列提取结构对方解石晶体内部大波矢cr模式的高效提取作用，将晶体内部的红外声子极化激元模式提取至自由空间的辐射模式，实现红外辐射源的功能，输出功率更高，相较于现有的纳米狭缝光栅结构，提取效率高了20倍以上，器件总输出功率相较于现有的切伦科夫辐射器件可以高2-3个数量级以上。另外，由于器件主要基于天然晶体材料，容易实现版图化和阵列化，输出光功率有望进一步增强。
[0060]
下面对本发明提供的自由电子光源进行描述，下文描述的自由电子光源与上文描
述的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源可相互对应参照。
[0061]
本发明实施例还提供了一种自由电子光源，包括如上述各实施例中的基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源。如此设置，通过片上自由电子发射源产生稳定的自由电子束，激励天然双曲材料中的红外切伦科夫辐射。由于天然双曲材料成本低廉，易于获得，制备工艺简单，相较于人工双曲超材料具有显著优势。同时由于天然双曲材料易于生长且稳定性好、缺陷少，可以最大程度上规避由于材料加工工艺精度给器件性能带来的影响。而且基于天然介质材料，本征损耗更低，使得相应器件辐射功率更大、效率更高且发热更小。此外，基于天然晶体材料，容易实现版图化和阵列化，极大地提高了相关器件的集成度和空间效率，为大功率阵列集成化自由电子光源提供了可能方案。该有益效果的推导过程和上述基于天然双曲材料的切伦科夫红外辐射源的有益效果的推导过程大致类似，故在此不再赘述。
[0062]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。