共振腔增强等离子体红外光源及其在碳-13呼吸检测法中的应用研究

The goals of project are to study and develop the resonance cavity enhanced emission plasmonic infrared emitters, and by the computer assisted optimization design, to fabricate and realize the thermal emitters which integrate Fabry-Perot resonance cavity and metal-dielectric structure with short period of hole arry. By building the theoretical model of coupling resonance between the plane wave-guide mode and surface plasmonic mode, it is expected that the effects of emitter dimension parameters on emission spectra can be explained. Furtherly, we hope to reveal the mechanism that the power from the spontaneous radiation with wide spectra are converted to high intensitive, high directional, narrow-band light by power drawing effect. In experiments, the micro-scals of hybrid optical films are fabricated by micro-electro-mechanical systems technology to realize the electrical modulation and manufacturability of emitter. The ultimate goal is to use the emitter in nondispersive isotope-selective infrared spectrophotometer based on 13-Carbon breath test for liver reserve function and liver cirrhosis.The test results will be used for assessment of emitter property.

本项目以共振腔增强发射等离子体红外光源为研究和开发目标，通过结构设计实现Fabry-Perot共振腔与金属?电介质短周期孔洞阵列结构复合的热辐射红外光源，通过建立平面波导模与金属?-电介质表面等离子体模耦合共振的理论模型，解释光源结构尺寸参数对光源发射光谱的影响，揭示选择频率光波能量牵引效应使宽频带自发热辐射能量转换为高强度、高定向、窄频带光波的作用机理。在实验上，通过MEMS工艺实现上述的微米量级复合光学薄膜结构，实现光源的电调制特性和可制造性。光源最终将应用于13-C呼吸检测仪，通过对肝储备功能和肝疾病检测上的应用，检验该光源对仪器精度和工作稳定性的影响。

光谱分析技术是目前物质检测的主要技术，在环保、医疗、农业领域有重要应用价值。红外光源是红外光谱分析仪器中的核心部件，对物质检测的精度至关重要。由于红外激光光源和红外LED光源存在成本高或输出功率低的缺点，因此利用微机械加工技术制备的微小型热红外光源成为当前的主要解决方案。本项目以高可靠性硅基MEMS红外光源和高发射率窄带表面等离子体共振红外光源为研究目标，利用微电子机械系统（MEMS）技术设计和制造高可靠、高电热转换效率、高调制特性的微型红外光源。同时，研究利用金/TiO2纳米管阵列薄膜复合结构作为热辐射表面，实现光源的高发射率和窄带发射特性。项目执行期间，完成了硅基桥式MEMS红外光源的设计和制造，并实现了光源批量化的中试生产，产品被市场多家公司试用和采购，光源使用效果良好。此外，完成了金属/纳米复合结构等离子体红外光源的理论和仿真研究。基于电化学阳极氧化法制备了TIO2纳米管多孔阵列结构薄膜，实验验证了TiO2纳米管阵列薄膜结构的超辐射现象（辐射率大于1）和金/TiO2纳米管阵列复合结构的窄带发射现象。项目设计了可实用化的纳米结构表面红外发射光源和制备方法，获得专利授权。通过项目研究，实现了硅基MEMS红外光源在13-C 呼吸检测仪上的应用，提高了 呼吸检测仪的医疗检测精度。利用光源的快速调制特性实现了阵列光源远距离红外认证识别的编码通讯功能，体现了潜在的军事应用价值。