具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构及其制备方法

1.本发明属于太赫兹超材料技术领域，尤其涉及一种具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构及其制备方法。


背景技术：

2.超材料具有独特的控制电磁波的能力，能够使太赫兹波在微纳米量级的结构尺寸中诱导产生表面等离子体共振，已经成为各种太赫兹功能器件的核心部件。基于超材料的太赫兹器件广泛地应用于天线雷达，波导传输，高分辨率成像、高功率太赫兹源以及高灵敏度的传感等领域，并取得了一些突发性的研究成果。目前，常用的太赫兹超材料微纳加工技术大部分都是通过光刻技术制造而成，制作过程需要旋涂、前烘、制备掩膜、曝光和金属沉积等多个步骤，导致制备周期长、成本高昂。
3.近年来，随着超快激光技术的发展，基于激光烧蚀的原理，采用飞秒激光直写技术能够在金属薄膜上实现太赫兹超材料的快速加工。飞秒激光烧蚀加工过程表现在具有一定面积大小的光斑在样品表面上移动，所经过的部分由于激光能量积累效应而使材料直接发生去材反应。然而，由于聚焦面积大小直接决定了加工精度，针对百微米量级以内的加工不可避免地引入了加工误差（尺寸误差在10微米以上），使得对几何尺寸偏差敏感的超材料无法达到预期性能。为了达到更高的精度，通常采用调整激光能量或控制激光脉冲数量的方法，然而这两种办法均会导致一部分激光能量的损耗，并且需要加工人员具有丰富的加工经验。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本发明的目的在于提供一种具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构及其制备方法，其提出的具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构由两个形状尺寸大小相同的矩形孔作为一个单元阵列，并周期性阵列排布而成。整个材料的厚度为10 μm。矩形孔的长度为150 μm，宽度为30 μm，两个矩形孔在边长为180 μm的正方形单元中以中心点对称分布，两个孔的中心线距离为90 μm。能够诱导太赫兹入射波在金属通孔内产生表面等离子体共振，在频谱上表征为高透射率的共振峰，简单的结构能够实现高透射率的表面等离子体共振。与此同时，无衬底的设计避免了由衬底引起的蓝移和相关的内部干扰和能力损失。
5.可以以单层铝箔作为制备超材料的原材料，通过飞秒激光直写技术快速烧蚀金属表面的方法制备具有周期性表面结构的通孔型太赫兹超材料。
6.在制备方法上采用飞秒激光直写技术，在薄膜金属直接进行加工，制造过程简单且迅速，加工效率高，原材料廉价易得，有利于大规模的工业化生产。同时，运用高倍数的聚焦物镜缩小烧蚀面积从而减小加工误差，使实际的加工尺寸更符合设计尺寸，达到所需要的标准。具体可以采用100倍聚焦物镜聚焦飞秒激光光束，使其烧蚀面积控制在5 μm，加工后的尺寸误差约为2-3 μm。相较于以往加工太赫兹超材料器件的光刻技术，飞秒激光直写
技术制备效率高并且加工方法简单直接，避免了繁琐的加工步骤，原料廉价易得，加工时长大大缩小，有利于大规模的工业化生产。
7.本发明具体采用以下技术方案：一种具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构，其特征在于：由两个形状尺寸大小相同的矩形孔作为一个单元阵列，并周期性阵列排布而成。
8.进一步地，厚度为10 μm；所述矩形孔的长度为150 μm，宽度为30 μm，两个矩形孔在边长为180 μm的正方形单元中以中心点对称分布，两个孔的中心线距离为90 μm。
9.进一步地，材质为铝。
10.以上结构的制备方法采用飞秒激光直写技术，在薄膜金属上直接进行加工；并运用高倍数的聚焦物镜缩小烧蚀面积从而减小加工误差。
11.进一步地，首先在样品保持架上贴上铝箔制成样品，而后飞秒激光通过一系列光学器件以及a3200运动控制软件控制的三轴加工平台，最终聚焦在样品上进行飞秒激光烧蚀，形成周期性表面结构。
12.进一步地，包括以下步骤：步骤s1：在样品保持架上涂上固体胶，将剪裁后的铝箔压平后平整地贴在样品保持架上，并延展铝箔使铝箔在样品保持架上保持平整，而后在四周施力加强铝箔贴合，制成样品；步骤s2：将步骤s1的样品放置于三轴加工样品台上，在计算机上启动a3200运动控制软件，调整设备参数将位移传感精度调至0.01 mm/s以下，并打开空压机，保持z轴方向上的施力促使z轴稳定移动，在a3200运动控制软件先后对x轴、y轴、z轴进行调零；步骤s3：将100倍聚焦物镜安装在步骤s2中已调试好的三轴加工平台上，通过ccd相机反馈的图象情况调整z轴移动，使飞秒激光焦斑聚焦在铝箔样品表面上；步骤s4：完成步骤s3后，准备开始进行飞秒激光烧蚀加工，打开控制飞秒激光加工激光同步通断的激光加工快门电源和激光安全快门电源，通过激光加工快门的同步通断实现飞秒激光在样品表面烧蚀不同结构的复杂实体，先在步骤s3中的控制监测软件界面打开安全快门，而后打开coherent公司生产的vitara飞秒激光器，调整好光路，取消激光遮挡；步骤s5：在步骤s2中的a3200运动控制软件界面编写加工程序，完成编写后再次检查激光对焦情况，之后开始加工；在加工过程中，由于样品制造存在一定误差，通过观察控制及监测软件界面的成像情况，手动调节焦斑位置保持在样品表面上，防止失焦影响加工精度；在飞秒激光烧蚀加工过程中，加工产生的溅射材料粉末容易污染镜头以及其他未加工表面，利用小型风扇适时清理超材料表面的材料粉末，防止成像模糊或无法观察到加工表面形貌情况；步骤s6：加工结束后，所加工的超材料尺寸达到微米级别，加工表面上存在许多未及时脱落的切除部分，利用软毛刷轻轻刮除加工表面的材料粉末及碎屑，最终获得太赫兹频段支持的表面等离子体共振的超材料。
13.进一步地，在步骤s1中，选用规格为4
×
4 mm、厚度10 μm的铝箔纸作为待加工材料；所述样品保持架由3d打印机制造，尺寸规格为50
×
50
×
3 mm，中间镂空一个尺寸为30
×
30
×
3 mm的正方体；在步骤s2中，所述样品台选用表面尺寸为110
×
130 mm的微孔陶瓷真空吸附台；所述空压机选用型号为kj550-5l的达尔拓背包式空压机，用以向z轴施力并保持z
轴在竖直方向上稳定。
14.进一步地，在步骤s3中，所述三轴加工平台为美国aerotech公司生产的ant130xy/z三轴直线位移平台；采用pc端的控制及监测软件界面进行对焦，所述控制及监测软件界面基于.net平台下的c#语言开发，用于加工前的对焦和实时观察加工过程中图象表面的变化情况；采用的所述ccd相机为具有远心显微功能的ccd相机；所述飞秒激光焦斑指飞秒激光聚焦后的光束直径，直径大小为5 μm的尺度，聚焦前的光斑直径为10 mm的尺度。
15.进一步地，在步骤s4中，所述激光加工快门通过按钮指令和程序指令控制，用于防止飞秒激光对人眼造成伤害；采用的飞秒激光器为coherent公司生产的vitara飞秒激光器。
16.进一步地，在步骤s5中，加工程序由g代码编写；g代码中的加工指令包括：所加工结构的形状及尺寸信息、循环次数、加工快门开关指令、延时指令和轴的移动速度。
17.与现有技术相比，本发明及其优选方案的显著优势在于：（1）采用飞秒激光直写技术直接在薄膜金属上进行加工，周期性通孔微结构和简单的形状尺寸符合飞秒激光烧蚀太赫兹超表面。加工过程简单且迅速，加工效率高，有利于大规模的工业化生产。
18.（2）采用高倍聚焦物镜缩小光斑直径并控制在5 μm，控制加工误差在2-3 μm，从而改善了因尺寸误差导致透射频段偏移的情况。相比于以往的飞秒激光烧蚀加工，采用高倍镜高数值孔径的聚焦物镜能够将光斑能量聚集在更小的范围里，无需调节激光能量，并且能够通过加工程序自行完成加工，具有较高的加工精度。
19.（3）以超薄金属作为原材料，所制得的太赫兹超材料只由一层周期性通孔微结构组成，可以用于柔性器件并且结构简单，能够实现高透射率的表面等离子体共振，无衬底的设计避免了峰值蓝移和相关的内部干扰和能力损失。
附图说明
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例提供单元阵列结构示意图；图2为本发明实施例提供太赫兹超表面结构的光学显微图及其放大图；图3为本发明实施例提供用于性能测试的两个具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面的实验透射谱及模拟透射谱图。
具体实施方式
21.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的
khz的激光脉冲，调整好光路，取消激光遮挡。
30.（5）在步骤（2）中的a3200运动控制软件界面编写程序语言为g代码的加工程序，程序指令包含所加工结构的形状及尺寸信息、进给速度、加工周期循环次数(包含超材料周期结构个数信息)、激光加工快门开关指令、延时指令等，完成编写后再次检查激光对焦情况，之后开始加工。在加工过程中，由于样品制造存在一定误差，通过观察控制及监测软件界面的成像情况，在a3200控制面板上手动调节z轴，使焦斑位置保持在样品表面上，防止失焦影响加工精度。在飞秒激光烧蚀加工过程中，加工产生的溅射材料粉末容易污染镜头以及其他未加工表面，利用小型风扇适时清理超材料表面的材料粉末，防止成像模糊或无法观察到加工表面形貌情况。
31.（6）加工结束后，所加工的超材料尺寸达到微米级别，加工表面上存在许多未及时脱落的切除部分，利用软毛刷轻轻刮除加工表面的材料粉末及碎屑，最终获得太赫兹频段支持的表面等离子体共振的超材料。
32.具体地，步骤（1）当中铝箔选用规格为4
×
4 mm、厚度10 μm的铝箔纸作为待加工材料。
33.步骤（1）当中样品保持架由3d打印机制造，尺寸规格为50
×
50
×
3 mm，中间镂空一个尺寸为30
×
30
×
3 mm的正方体。
34.步骤（2）当中样品台选用表面尺寸为110
×
130 mm的微孔陶瓷真空吸附台。
35.步骤（2）当中a3200运动控制软件所具有的功能包括：轴状态信息显示与控制、运动控制编程环境、程序控制指令等。
36.步骤（2）当中空压机选用型号为kj550-5l的达尔拓背包式空压机。用以向z轴施力并保持z轴在竖直方向上稳定。
37.步骤（3）当中的三轴加工平台为美国aerotech公司生产的ant130xy/z三轴直线位移平台。行程为160 mm，位移分辨率在纳米级别。
38.步骤（3）当中控制及监测软件界面是基于.net平台下的c#语言开发的。用于加工前的对焦和实时观察加工过程中图象表面的变化情况。
39.步骤（3）当中相机为具有远心显微功能的ccd相机。
40.步骤（3）当中飞秒焦斑指飞秒激光聚焦后的光束直径，直径大小约为5 μm，聚焦前的光斑直径为10 mm。
41.步骤（4）当中激光安全快门防止飞秒激光对人体眼睛造成伤害。
42.步骤（4）当中激光加工快门通过按钮指令和程序指令控制。
43.步骤（4）当中飞秒激光器为coherent公司生产的vitara飞秒激光器，其中包含激光放大器。脉冲宽度为45fs，中心波长800 nm，重复频率1 khz。
44.步骤（5）当中加工程序由g代码编写。g代码中的加工指令包括：所加工结构的形状及尺寸信息、循环次数、加工快门开关指令、延时指令、轴的移动速度等。
45.太赫兹超表面加工结果分析：本实施例方案制备的以薄膜金属铝箔作为材料的具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面加工结果分析是在光学显微镜下观察的。由于采用100倍聚焦物镜对光斑进行改良，缩小聚焦后的光斑直径约为5 μm，因此造成加工误差在2-3 μm。从图2可以看到，尺寸大小为150
×
30 μm的矩形通孔具有完整的形貌特征和良好的直线度。
46.太赫兹超表面性能评价：制备的以薄膜金属铝箔作为材料的具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面的性能评价是在基于透射模块的太赫兹时域光谱（thz-tds）系统测试装置上进行。将加工完成的样品放置于用于透射测量的夹具上，并放入太赫兹时域光谱系统测试装置中，盖上密封盖，向装置内部填充氮气。thz-tds系统中的太赫兹发射器发射的tm极化太赫兹波垂直入射太赫兹超表面，在周期微孔结构中耦合太赫兹波，基于频率选择表面原理，特定频段的太赫兹入射波在金属矩形通孔两侧产生等离子极化从而发生电磁增强。耦合的太赫兹波能从另一端射出并被太赫兹接收器接受，通过数据处理后被pc端采集。
47.按照太赫兹超表面性能评价所述，以薄膜金属铝箔为材料的具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面性能评价的性能测试结果如图3所示，实验透射谱中两个样品的透射曲线几乎一模一样，并且与模拟结果的透射曲线吻合。其中，实验结果产生的透射频率峰值在1.152 thz处，而模拟结果产生的透射峰值在1.178 thz处，其误差为0.026 thz，透射率最高可达96.8%，模拟透射率最高为98.5%。
48.上述测试结果表明飞秒激光直写技术适用于制造具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面，并且具有良好的稳定性。结构简单且能够支持太赫兹表面等离子体极化共振模式，适用于各种通孔型太赫兹器件。因此，本发明的太赫兹超表面具有很好的应用前景。
49.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
50.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
52.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
53.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有周期性通孔微结构的太赫兹超表面结构及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。