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及自由电子光源，包括天然双曲材料层和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。如此通过片上自由电子发射源产生稳定电子束，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。同时天然双曲材料易于生长且稳定性好缺陷少，可以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，为大功率阵列集成化自由电子光源提供了可能方案。