本發(fā)明涉及一種中紅外熱發(fā)射器，具體為一種用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，屬于熱輻射調(diào)控和氣體檢測。

背景技術(shù)：

1、非分散紅外氣體檢測技術(shù)主要依賴光學(xué)濾波器獲取特定波段的中紅外檢測光，檢測光品質(zhì)受限于光學(xué)濾波器的濾光性能，但現(xiàn)有應(yīng)用于氣體檢測的光學(xué)濾波器半波全寬較寬；而超表面發(fā)射器可獲取超窄譜帶的發(fā)射光，可被用于實現(xiàn)單組分或多組分氣體的高精度檢測。但是，當(dāng)超表面熱發(fā)射器的幾何參數(shù)確定后，發(fā)射光的可調(diào)性降低。此外，超表面熱發(fā)射器的發(fā)射光譜調(diào)整主要通過改變?nèi)肷洳ǖ钠駪B(tài)實現(xiàn)，多組分氣體傳感器的制備和應(yīng)用難度顯著增加。

2、由上述可知，現(xiàn)有方式無法通過集成化、高精度、光譜可調(diào)的中紅外熱發(fā)射器實現(xiàn)多組分氣體的同步精準(zhǔn)檢測，是本發(fā)明所需研究的方向。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，利用相變材料在不同相態(tài)結(jié)構(gòu)時的光學(xué)特性分別激發(fā)形成多組中紅外波段發(fā)射峰，并通過導(dǎo)模共振和法布里-珀羅共振相結(jié)合的方式，在同波段內(nèi)激發(fā)多個窄譜帶發(fā)射峰，從而匹配不同所需待測氣體的吸收譜線，實現(xiàn)多組分氣體的同步精準(zhǔn)檢測。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，包括由上至下依次設(shè)置的復(fù)合光柵層、中間層和基底層；

3、所述復(fù)合光柵層用于放置金屬光柵結(jié)構(gòu)，金屬光柵結(jié)構(gòu)由多個光柵單元在同一平面內(nèi)平鋪排列組成；每個光柵單元均由兩個寬度不同且長度相同的金屬光柵相互平行排列組成，且光柵單元內(nèi)兩個金屬光柵的間距小于相鄰兩個光柵單元的間距；

4、所述中間層為相變材料，相變材料在不同相態(tài)結(jié)構(gòu)下具有不同的光學(xué)參數(shù)，用于調(diào)控發(fā)射光譜的波段范圍；

5、當(dāng)電磁波從復(fù)合光柵層入射并經(jīng)過中間層及基底層后，能激發(fā)導(dǎo)模共振和法布里-珀羅共振，在中紅外波段上激發(fā)多個窄譜帶發(fā)射峰，匹配不同所需待測氣體的吸收譜線，實現(xiàn)多組分氣體的同步檢測。

6、進一步地，所述復(fù)合光柵層由銀材質(zhì)制成。

7、進一步地，所述光柵單元的兩個金屬光柵寬度分別為600nm~900nm和400nm~700nm。

8、進一步地，所述復(fù)合光柵層的厚度為10nm~150nm。

9、進一步地，所述光柵單元內(nèi)兩個金屬光柵的間距為100nm~400nm；相鄰光柵單元的間距為200nm~500nm。

10、進一步地，所述中間層由相變材料ge2sb2se5制成，所述相變材料ge2sb2se5在常溫下為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，折射率為3.05；在溫度大于250℃時轉(zhuǎn)化為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，折射率為3.39；且兩種相態(tài)結(jié)構(gòu)下的消光系數(shù)接近于0。所述相變材料ge2sb2se5也能通過外加電場實現(xiàn)相態(tài)調(diào)控，且外加電場的電壓一般大于3v。

11、進一步地，所述中間層厚度為800nm~1200nm。

12、進一步地，所述基底層由金屬材質(zhì)制成。

13、進一步地，所述波段范圍為波長在3.0~10.0μm的中紅外波段。

14、進一步地，所述復(fù)合光柵層為矩形體，電磁波以垂直于復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的方向入射。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

16、1、本發(fā)明采用復(fù)合光柵層、中間層和基底層構(gòu)成中紅外熱發(fā)射器，當(dāng)電磁波入射進入中紅外熱發(fā)射器后，利用特定布設(shè)方式的復(fù)合金屬光柵結(jié)構(gòu)、作為中間層的相變材料及金屬基底相互配合作用，能激發(fā)導(dǎo)模共振和法布里-珀羅共振，從而在中紅外波段激發(fā)多個窄譜帶發(fā)射峰。

17、2、本發(fā)明利用相變材料ge2sb2se5的相變特性調(diào)整中間層的光學(xué)參數(shù)，在晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)分別激發(fā)多組不同中紅外波段的發(fā)射峰，且各波段均具有多個發(fā)射峰，匹配不同所需待測氣體的吸收譜線；設(shè)定參考峰以標(biāo)定發(fā)射峰的衰減程度，降低外界環(huán)境因素（如水汽、溫度、氣壓等）的檢測誤差。

18、3、本發(fā)明通過對兩個金屬光柵的厚度、寬度、間距、相變材料的厚度以及光柵單元的間距和在x方向上的周期長度進行具體參數(shù)限定，優(yōu)化復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的諧振響應(yīng)性能，使本發(fā)明中紅外熱發(fā)射器適用于多組分氣體的同步精準(zhǔn)檢測，并通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使氣體傳感器的檢測精準(zhǔn)性和效率達到最優(yōu)效果。

技術(shù)特征：

1.一種用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，包括由上至下依次設(shè)置的復(fù)合光柵層、中間層和基底層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述復(fù)合光柵層由銀材質(zhì)制成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述光柵單元的兩個金屬光柵寬度分別為600nm~900nm和400nm~700nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述復(fù)合光柵層的厚度為10nm~150nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述光柵單元內(nèi)兩個金屬光柵的間距為100nm~400nm；相鄰光柵單元的間距為200nm~500nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述中間層由相變材料ge2sb2se5制成，所述相變材料ge2sb2se5在常溫下為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，折射率為3.05；在溫度大于250℃時轉(zhuǎn)化為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，折射率為3.39。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述中間層厚度為800nm~1200nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述基底層由金屬材質(zhì)制成。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述波段范圍為波長在3.0~10.0μm的中紅外波段。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，其特征在于，所述復(fù)合光柵層為矩形體，電磁波以垂直于復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的方向入射。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于氣體光譜檢測的復(fù)合光柵中紅外熱發(fā)射器，包括由上至下依次設(shè)置的復(fù)合光柵層、中間層和基底層；所述復(fù)合光柵層用于放置金屬光柵結(jié)構(gòu)；所述中間層為相變材料，在不同相態(tài)結(jié)構(gòu)下具有不同的光學(xué)參數(shù)，用于調(diào)控發(fā)射光譜的波段范圍；所述基底層由金屬材質(zhì)制成；當(dāng)電磁波從復(fù)合光柵層入射并經(jīng)過中間層及基底層后，能激發(fā)導(dǎo)模共振和法布里?珀羅共振，在中紅外波段激發(fā)多個窄譜帶發(fā)射峰，匹配不同所需待測氣體的吸收譜線，實現(xiàn)多組分氣體的同步精準(zhǔn)檢測。

技術(shù)研發(fā)人員：周昆,仲曉星,張曉強,孫希賢,倪棟浩,賈偉,曹威虎,尚露露,靳飛宇
受保護的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15