基于金属微纳超结构的MEMS红外辐射光源调控研究

MEMS infrared source has the advantages of high electronic-optical conversion efficiency, smaller volume, and good security, so it is has important applications in the fields of night vision recognition, infrared identification, and target tracking. For the source wanting in the poor monochromaticity and low radiation efficiency, we proposed that "sandwich" shaped metal micro-nano-superstructures MEMS infrared sources based on the hole array structure and the surface plasmon (SP) resonance antenna radiation enhancement effect of the micro-nano structure in this project. The key technologies of the Overlay, Lift off and annealing are solved by adopting MEMS technology to prepare the structures, and the infrared spectrum properties are investigated. The effect of the structural parameters on the infrared spectrum and the near fields distribution are analyzed by simulating the SP resonance coupling between the hole array structure and the micro-nano antenna structure using numerical analysis of electromagnetic fields based finite element. By investigating the results of simulation and the experimental to reveal the regulatory mechanisms of the SP superstructure structure on the linewidth and radiation efficiency of the infrared spectrum, which will establish the foundation for the MEMS infrared radiation source with narrow linewidth, easy to regulate, and high radiation efficiency at specific wavelength.

MEMS红外光源具有电光转化效率高、体积小、保密性好等优势，在夜视识别、红外标识、目标追踪等领域具有非常重要的应用。本项目针对该光源存在的辐射单色性差和效率低等不足，提出基于表面等离激元(SP)异常透射增强和天线辐射增强效应的“三明治”型金属微纳超结构MEMS红外辐射光源。通过采用MEMS工艺制备该超结构，解决套刻、Lift off，退火关键工艺技术问题，并研究其红外辐射光谱。利用有限元电磁场数值计算方法，模拟孔洞阵列结构层和微纳天线结构层的SP共振耦合特性，分析结构参数对红外光谱和近场分布的影响。通过仿真与实验结果的分析，揭示金属微纳超结构表面等离激元共振对红外辐射光谱线宽及其辐射效率的调控机制，为实现具有辐射线宽窄、易调控、特定波长辐射效率高的表面等离激元MEMS红外辐射光源奠定基础。

本项目针对MEMS 红外光源单色性差、辐射效率低以及需要专门滤波、斩波器件等问题，提出了基于“三明治”型金属微纳超结构的表面等离激元MEMS红外辐射光源结构。通过调控超结构的结构参数以及入射偏振特性等研究了超结构在用于MEMS红外辐射光源时的超辐射透射特性。利用有限元方法研究了孔洞阵列结构层和微纳天线结构层的表面等离激元共振耦合特性，分析结构参数对红外光谱和近场分布的影响。通过采用电子束光刻工艺，制备了金属超结构，从实验和理论上研究其光学特性。主要研究结果如下：（1）开展了金属微纳超结构的设计及其透射特性的仿真研究，通过优化设计孔洞阵列结构、周期性超表面结构及其复合结构，提出了基于孔洞阵列复合结构的“三明治”型表面等离激元共振增强红外辐射结构设计，进而阐明了天线阵列局域表面等离激元共振特性对辐射增强的机理；设计出了用于具有可调谐、局域增强显著红外光源辐射特性的金属微纳结构（2）开展了金属微纳超结构的实验设计与加工，测试研究，对电子束曝光技术加工微纳超表面结构工艺进行了探索，建立了微纳符合超表面结构的制备工艺技术，制备出了孔洞阵列结构与超表面阵列结构，并通过红外微区光谱测试系统研究了其光学透射性能及其辐射性能，仿真结果和实验结果吻合较好。（3）通过对其光学特性的研究发现，介质层的折射率是影响该金属复合微纳结构共振峰位置和透射率的重要参数，随着介质折射率的增加，其透射率也明显降低，另外，顶层微纳天线结构横向尺寸增大导致结构透射率降低，其厚度对透射率，揭示金属微纳超结构表面等离激元共振对红外辐射光谱线宽及其辐射效率的调控机制。