2016, Vol. 38
Issue (6): 549-554
2. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
太赫兹波的波动频率一般为0.1~10 THz, 介于微波和中红外频率范围之间[1]。太赫兹波作为一种独特的辐射波, 其性能给分子生物科学、医学成像、安全检查、天文以及未来的通信系统等领域带来了深远的影响, 越来越多的研究机构和学者展开了对太赫兹及其相关领域的研究。近二十年来, 由于超快光子技术和低尺度半导体技术的快速发展, 为太赫兹辐射提供了合适的激发光源和探测手段, 这使得太赫兹科学技术在实际应用中取得了飞速发展[2-5]。
太赫兹波的产生是太赫兹科学技术研究的关键, 然而太赫兹源(如光电导天线)转换为太赫兹辐射波的效率和能量常常相当低, 这大大地抑制了太赫兹系统的发展。此外, 太赫兹功能元件通常因其表面反射损耗和法布里-珀罗谐振影响了整个系统的动态范围和光谱的分辨率, 因此, 减反对许多太赫兹装置来说是一个非常重要的问题。在可见光范围内的减反技术已经发展了许多年, 例如最常用而简单的方法是在高阻硅上镀一层低折射率、厚度为四分之一波长的介电材料, 这一方法也同样适用于太赫兹波, 但是具有透射率低、带宽窄的合适涂层材料不容易找到[6-7]。高分子聚合物是一种多功能材料, 具有易加工、低损耗、透明性的优点, 这使得许多聚合物如聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)和环烯烃聚合物(COP)可以在太赫兹波段中得到广泛应用[8]。本文主要介绍太赫兹减反增透器件的工作原理, 研究进展和典型的制备方法。
1 太赫兹减反增透研究进展近几十年来, 太赫兹技术的快速发展以及高阻硅在太赫兹器件上的广泛应用, 使得降低高阻硅表面的反射损耗成为太赫兹学者们的研究热点。1999年Englert等提出了利用四分之一波长增透原理的方法制备高阻硅的减反器件[6], 器件选用的是PE膜(在波数84 cm-1处折射率为1.52)涂于高阻硅上。在波数为84 cm-1(约2.5 THz)处所设计的器件透过率可达到90%左右。2000年Gatesman等同样利用四分之一波长增透原理, 将高阻硅两边涂上聚对二甲苯材料[7]。这种三层结构的器件在0.45~2.80 THz的范围内可实现40%以上的透过率, 其中最高可达到90%以上。但是这类方法制备的太赫兹增透器件存在带宽窄, 并且材料不容易制备的缺点。
1984年Mcknight等提出了新的金属膜吸收设计方法[9], 基于金属纳米膜吸收时域信号的反射峰, 器件可以实现良好的减反效果。2007年Kroll等根据阻抗匹配原理, 使用菲涅耳公式进行建模制作出另一种减反增透器件。实验表明铬和ITO薄膜可以作为有效的增透膜以减少太赫兹的反射[10]。但是这类方法制作出的器件在吸收反射峰的同时对主峰也会有很大的影响, 所以应用范围并不广泛。
近几年利用光刻、腐蚀、切割等工艺对高阻硅表面进行浮雕设计的方法成为制作宽频减反增透器件主要方法。例如, Chen等[11]在高阻硅衬底上制备金字塔的三维结构, 并且通过改变金字塔的结构周期, 有效地把截止频率从0.74~2.93 THz的带宽增强到0.91~3.15 THz。这类方法提高了器件的透过率和带宽, 但是整个制作流程耗时长, 而且工艺复杂, 不利于实际生产加工。
除了以上几种常用的方法, 近几年超材料也开始应用于太赫兹波的减反增透的设计[12-13], 但由于其工作带宽较窄, 一般在2 THZ以下, 所以很大程度上限制了超材料在这一方面的应用。
2 工作原理宽频太赫兹减反增透器件实现减反增透效应的基本原理主要是:构造折射率渐变的涂覆材料和等效介质理论。
2.1 渐变折射率1962年, Bernhard和Miller通过对蛾眼的观察研究, 发现其表面排列着一种圆锥形凸起阵列结构, 这一结构利用空气和眼睛之间形成渐变的有效折射率, 从而大幅度降低眼睛表面的反射。受到这一减反结构的启发, 许多渐变折射率的表面阵列结构被研究和制备。通过抗反射和薄膜的阻抗匹配原理的组合来消除整个器件的反射, 从而实现多个吸收峰的叠加。通过在表面制备凹凸结构产生一个渐变折射率的剖面, 不仅减少了菲涅耳反射损耗, 而且增大了宽带。根据等效折射率公式, 每一层的折射率为
|
(1) |
式中:neff为等效折射率; nair为空气折射率; nh为介电材料折射率; Sair、Sh分别是空气、介电材料所占的面积比。
2.2 有效介质理论根据瑞利散射理论, 当粒子尺度远小于入射波长时(小于波长的1/10), 这时散射损耗对整个纳米复合材料体系的影响才可以忽略不计。然而在对应辐射为波长0.03~3 mm的太赫兹波段, 粒子的尺度满足瑞利散射的条件, 所以这一影响必须被考虑进去。在混合的介质体系中, 利用有效介质理论计算复合材料的介电常数, 是分析复杂材料某些性质的一种简单而有效的方法。
2.2.1 Maxwell-Garnett理论假设在无限大的介质基体中(设其介电常数为εh)随机分布了介电常数为εp的球形颗粒, 根据外场可用的洛伦兹局域场中修正和克劳修斯-莫索缔方程, 可导出复合材料系统的有效介电常数εr的Maxwell-Garnett方程如下:
|
(2) |
式中fp是纳米颗粒的体积分数, 但是因为纳米颗粒间距较大, 公式推导过程中忽略了粒子间的相互作用力, 因此这一系统只建立在粒子体积分数较低的情况下(fp < 15%)。
2.2.2 Bruggeman理论当粒子体积分数较高时, 分子间的相互作用就必须考虑进去, Bruggeman利用平均场理论导出了复合材料体系的有效介电常数公式:
|
(3) |
式中:fp为颗粒的体积分数; εp、颗εr、颗εh分别为颗粒的介电常数、复合材料介电常数、聚合物的介电常数。
3 宽频太赫兹减反增透器件的制作研究基于渐变折射率和等效介质理论设计出的宽频太赫兹减反增透器件具有非常好的减反增透效果。例如Li等利用针灸针在聚苯乙烯层上制作出的一种宽频太赫兹减反结构[14], 其透射率比传统的结构要增加近20%, 并且频宽更宽。Chen等研究设计的高折射率复合材料减反器件[13], 通过实验验证可以得到一个频宽更宽(0.2~1.6 THz)、减反效果更好(反射率仅为7%)的器件。
3.1 热压印法制备宽频太赫兹减反结构[14]Li等[14]在2015年介绍了一种利用金属模具且在高阻硅为衬底的PS表面上构造凹凸结构的宽频太赫兹减反增透器件, 所使用的金属模具是采用成束紧密贴合的针灸针加工而成。然后利用热压印技术构建了一层由外向内折射率逐渐变化的减反结构, 如图 1所示。
|
图 1 利用热压印技术加工后的样品表面SEM图像 Figure 1 SEM image of anti-reflection structure obtained by hot embossing |
器件制作时首先是将PS旋涂在高阻硅表面, 然后将带有PS膜的高阻硅和金属模具加热至110 ℃, 并施加50 N的力压制材料。系统冷却后进行脱模, 得到如图 1的表面结构。采用太赫兹时域光谱仪系统(THz-TDS)测试样品的透射率, 样品的有效带宽为0.1~1.6 THz, 测试结果如图 2所示。由于高阻硅的表面反射, 所以透射率只有50%;有单面PS膜的高阻硅的透过率(膜厚为120 μm), 在0.37 THz和1.10 THz位置(分别为π和3π相位)透过率约为58%。从实验结果可以看出，双面有结构的PS膜的透射率比不经过处理PS膜的高阻硅结构的器件有显著提高, 透过率最高值约为80%。
|
图 2 不同样品在太赫兹波段下的透过率 Figure 2 Transmittance spectra of the different samples |
根据Li的研究，利用热压印的方法制备一种折射率渐变的结构有效地降低了法布里-珀罗谐振效应，提高了减反增透效果。
3.2 太赫兹高折射率复合材料减反器件2015年Wang等提出了一种利用高折射率无机复合材料制作的减反器件[15]。无机复合材料是由高折射率的二氧化钛纳米颗粒和COP复合而成, 同时调配不同质量分数的二氧化钛可以得到不同折射率的复合材料, 折射率最高可达3.1。器件制作时首先是利用球磨法制备二氧化钛的分散液。选用的材料为金红石型二氧化钛, 介电常数为39.5, 粒径约为1 μm。然后将1 μm的TiO2颗粒放到120~180 μm的ZrO2珠甲苯溶液内进行球磨, 球磨速度为300 rad/min, 时间约为5~8 h。取出TiO2的分散液, 加入不同质量分数的COP颗粒, 搅拌3~4 h后, 将其均匀地旋涂在玻璃片上, 并放在真空烘箱里使甲苯溶剂充分挥发, 温度为60~80 ℃, 时间为6~8 h。最后将复合材料从玻璃片上分离出来, 得到无机纳米复合材料, 并利用FiCO THz-TDS (@Zomega Corp.)测试分析所得的TiO2-COP的介电性能。
当二氧化钛的质量分数依次为30%、50%和80%, 可以得到折射率为1.73、1.98和3.10的复合材料, 并且在0.1~1.6 THz的范围内比较平稳。图 3为1 THz时折射率分布曲线和等效介质理论匹配的结果。可以得出TiO2-COP复合材料的折射率能够与Bruggeman模型相匹配。
|
图 3 不同TiO2质量分数的TiO2-COP复合材料在太赫兹频段下的折射率分布 Figure 3 Change in the refractive index and absorption coefficient of the TiO2-COP composites as a function of the TiO2 doping ratio. |
图 4为THz-TDS的测试结果, 实验结果显示经热压印后的TiO2-COP膜的透过率有显著的提高, 在1.02 THz位置透过率达到最高为64.9%。
|
图 4 不同样品在太赫兹波段下的透过率 Figure 4 Transmittance spectra of the different samples |
折射率为3.1的太赫兹高折射率材料是利用TiO2与COP复合而成, 并且符合Bruggeman理论。这一材料在太赫兹波段下具有高透性, 其折射率可以通过TiO2与COP的比例进行调节, 其可调范围较宽。将折射率为3.1的复合材料旋涂于高阻硅上, 并用热压印法制备凹凸结构, 得到的减反增透器件在0.2~1.6 THz范围内有平均64%的高透过率。
4 结论太赫兹减反增透技术在太赫兹领域一直备受关注。本文介绍了两种典型的太赫兹减反增透器件, 这两种器件分别利用简单的热压印工艺技术以及制备高折射率复合材料的方法达到了宽频减反的要求。但是这两种器件依然存在一些问题, 例如无法在太赫兹全波段下有效工作, 菲涅耳反射不能完全消除等。目前太赫兹减反增透器件也一直朝着宽频、低反射的方向发展, 并在逐步简化制备方法, 同时力求找到更加有效、简便、实用的器件, 将其更好地应用于太赫兹系统中。
| [1] | HU X K, LI Y F, FANG F Z, et al. Enhancement of terahertz radiation from GaP emitters by subwavelength antireflective micropyramidstructures[J]. Optics Letters , 2013, 38 (12) :2053–2055. DOI:10.1364/OL.38.002053 |
| [2] | Ferguson B, Zhang X C. Materials for terahertz science and technology[J]. Nature Materials , 2002, 1 (1) :26–28. DOI:10.1038/nmat708 |
| [3] | YAMAMOTO K, KABIR M, TOMINAGA K. Terahertz time-domain spectroscopy of sulfur-containing biomolecules[J]. Journal of the Optical Society of America B , 2005, 22 (11) :2417–2426. DOI:10.1364/JOSAB.22.002417 |
| [4] | KAKIMI R, FUJITA M, NAGAI M, et al. Capture of a terahertz wave in a photonic-crystal slab[J]. NatPhotonics , 2014, 8 (8) :657–663. |
| [5] | FISCHER B, HOFFMANN M, HELM H, et al. Terahertz time-domin spectroscopy and imaging of artifical RNA[J]. Optics Express , 2005, 13 (14) :5205–5215. DOI:10.1364/OPEX.13.005205 |
| [6] | ENGLERT C R, BIRK M, MAURER H. Antireflection coated, wedged, single-crystal silicon aircraft window for the far-infrared[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , 1999, 37 (4) :1997–2003. DOI:10.1109/36.774710 |
| [7] | GATESMAN A J, WALDMAN J, JI M, et al. An anti-reflection coating for silicon optics at terahertz frequencies[J]. IEEE Microwave and Guided Wave Letters , 2000, 10 (7) :264–266. DOI:10.1109/75.856983 |
| [8] | CHEN H T, ZHOU J, O'HARA J F, et al. Antireflection coating using metamaterials and identification of its mechanism[J]. Physical Review Letters , 2010, 105 (7) :073901. DOI:10.1103/PhysRevLett.105.073901 |
| [9] | MCKNIGHT S W, STEWART K P, DREW H D, et al. Wavelength-independent anti-interference coating for the far-infrared[J]. Infrared Physics , 1987, 27 (5) :327–333. DOI:10.1016/0020-0891(87)90074-1 |
| [10] | KROLL J, DARMO J, UNTERRAINER K. Metallic wave-impedance matching layers for broadband terahertz optical systems[J]. Optics Express , 2007, 15 (11) :6552–6560. DOI:10.1364/OE.15.006552 |
| [11] | CHEN Y W, HAN P Y, ZHANG X C. Tunable broadband antireflection structures for silicon at terahertz frequency[J]. Applied Physics Letters , 2009, 94 (4) :041106. DOI:10.1063/1.3075059 |
| [12] | ZHANG J, ADE P A R, MAUSKOPF P, et al. New artificial dielectric metamaterial and its application as a terahertz anti-reflection coating[J]. Applied Optics , 2009, 48 (35) :6635–6642. DOI:10.1364/AO.48.006635 |
| [13] | CHEN H T, O'HARA J F, AZAD A K, et al. Manipulation of terahertz radiation using metamaterials[J]. Laser & Photonics Reviews , 2011, 5 (4) :513–533. |
| [14] | LI Y Z, CAI B, ZHU Y M.Antireflective broadband micro structure at terahertz range by a hot deformation[C]//Proceedings of the 40th international conference on infrared, millimeter, ang terahertz waves.Hong Kong, China:IEEE, 2015. |
| [15] | WANG X C, LI Y Z, CAI B, et al. High refractive index composite for broadband antireflection in terahertz frequency range[J]. Applied Physres Letters , 2015, 106 (23) :231107. DOI:10.1063/1.4922574 |