太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统与流程

1.本技术涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统。


背景技术：

2.太赫兹波通常是一种介于微波和远红外光波之间的电磁波，频率在0.1thz～10thz(波长在3mm～30μm)之间，属于远红外波段。太赫兹波相对于其他波段有一些良好的性质，如瞬态性、穿透性高、宽带性、低损害性等优点，在光谱成像、生物无损检测、安检、物质表征等领域都具有广阔的应用前景，已经应用于化学、材料科学、半导体科学、真空电子学、电磁场与微波学等学科的交叉前沿领域。
3.目前的现有技术中，针对主动太赫兹相位调制分为：被动器件，如透镜、分束镜、光栅和偏振器件等主要由常规材料或人造超材料构成；主动器件主要由具有特殊敏感响应的材料，如压电、电光、声光、磁光、相变等材料。最常用的现有技术均利用外加电场作为主动控制手段，实现对太赫兹波强度等参数的调制，然而外加电场调制装置复杂，电极制作工艺和控制要求较高，不便于生产和使用；传统的一级相变特征材料如cu2s、ag2s等制作的调制器件在太赫兹波段的调制增益系数低，无法满足应用的要求。
4.因此，有必要提供一种非接触式的、结构简单、高增益的太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统，用于通过控制温度实现对太赫兹波的调制功能。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种太赫兹相位主动调制器件的制备方法，该制备方法包括：选择基底，基底在太赫兹波段具有预设的通透率；在基底形成cu2se薄膜层；以及在cu2se薄膜层上形成金属谐振环，金属谐振环具有周期对称性结构，金属谐振环采用超材料制成，能够调制太赫兹波的相位。
7.其中，太赫兹相位主动调制器件对应的温度控制范围为98.85℃
‑
126.85℃，cu2se薄膜层是二级相变材料，二级相变过程中cu2se薄膜层的热导率为非线性变化，且当cu2se薄膜层的温度处于126.85℃时，cu2se薄膜层的热导率出现极小值，通过这一特性能够让金属谐振环的边沿温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过器件本体时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波的效果。
8.基于此，本技术实施例中的太赫兹相位主动调制器件能保持波束所携带信息的完整度，通过非接触式的温度调节完成对太赫兹波的高增益调制，其效果显著，调制的控制条件易实现，器件工作稳定性高。
9.在一种可能的实现方式中，在基底形成cu2se薄膜层，包括：通过化学气相沉积法在基底形成cu2se薄膜层。这样，cu2se薄膜层可以均匀的在基底表面成型，提升调制质量。
10.在一种可能的实现方式中，在cu2se薄膜层上形成金属谐振环，包括：磁控溅射或者真空蒸镀制备法在cu2se薄膜层上形成金属谐振环。这样，可以实现cu2se薄膜层与金属谐振环紧密结合，也可以将金属谐振环的尺寸控制在微米级别，从而让金属谐振环构成超材料，能够调制太赫兹波的相位。
11.第二方面，本技术还提供了一种太赫兹相位主动调制器件，该太赫兹相位主动调制器件包括：基底、cu2se薄膜层、金属谐振环。
12.基底在太赫兹波段具有预设的通透率；cu2se薄膜层形成在基底上；金属谐振环形成在cu2se薄膜层上，金属谐振环具有周期对称性结构，并采用超材料制成。
13.其中，太赫兹相位主动调制器件对应的温度控制范围为98.85℃
‑
126.85℃，cu2se薄膜层是二级相变材料，二级相变过程中cu2se薄膜层的热导率为非线性变化，且当cu2se薄膜层的温度处于126.85℃时，cu2se薄膜层的热导率出现极小值，通过这一特性能够让金属谐振环的边沿温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过器件本体时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波效果。
14.在一种可能的实现方式中，基底的材料包括氮化硅或锗。这样，基底能够减少太赫兹波的穿透过程中的传输损耗，保证信号的完整性。
15.在一种可能的实现方式中，cu2se薄膜层的厚度为5μm。
16.在一种可能的实现方式中，金属谐振环的材料包括金、铂、钯或铜；和/或，金属谐振环的厚度为1μm
‑
5μm。这样，金属谐振环的厚度尺寸小于太赫兹波的波长，金属谐振环能够调制太赫兹波的相位。
17.在一种可能的实现方式中，金属谐振环包括四个相互连接且具有开口的谐振环，谐振环的开口为90
°
。
18.在一种可能的实现方式中，谐振环的外径为15μm，谐振环的内径为13μm。这样，金属谐振环的宽度尺寸小于太赫兹波的波长，基于此，金属谐振环能够调制太赫兹波的相位。
19.在本技术的金属谐振环的微结构中，材料尺度小于它所作用的波长，外形呈环状周期性对称，使其具备超材料的性质，因此得以对波施加影响。
20.第三方面，本技术还提供了一种太赫兹相位主动调制系统，用于调制太赫兹波束的相位，该太赫兹相位主动调制包括：太赫兹探测系统、太赫兹相位主动调制器件和温控模块。
21.其中，太赫兹相位主动调制器件安置在太赫兹探测系统产生的太赫兹波传输路径中。
22.温控模块靠近太赫兹相位主动调制器件设置，温控模块能够控制主动调制器件的温度。
23.有益效果：本技术实施例提供的太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统，其结构简单，制备方便，无需外接特殊工艺制造的控制电极和复杂的电场调制装置，即可实现对太赫兹波的高增益调制，且因为cu2se薄膜层具备二级相变的特性，所以本发明与一级相变特征材料如cu2s、ag2s等制作的调制器件相比具有更高的太赫兹波相位调制的增益效果。
24.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术实施例提供的一种太赫兹相位主动调制器件的制备方法的步骤流程图；
27.图2是本技术实施例提供的一种太赫兹相位主动调制器件的结构示意图；
28.图3是本技术实施例提供的一种太赫兹相位主动调制模块的结构示意图；
29.图4是本技术实施例提供的一种太赫兹相位主动调制系统的示意图。
30.主要的部件标号及说明：
31.1、太赫兹相位主动调制系统；10、飞秒激光光源；11、分束器；12、太赫兹产生装置；13、离轴抛面镜；14、太赫兹相位主动调制模块；15、太赫兹探测器；16、屏幕；17、服务器端；18、锁相放大处理装置；19、第一反射镜；20、电动位移平台；21、第二反射镜；
32.141、太赫兹相位主动调制器件；142、温控模块；1411、基底；1412、cu2se薄膜层；1413、金属谐振环。
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
35.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
36.附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
37.关于太赫兹波调制，常用器件通过电场电流控制实现功能，但是外加电场装置复杂导致器件体积难以缩小，特殊工艺制造的电极成本高昂导致难以推广使用；为解决传统方法中存在的不足，本技术实施例提供了一种太赫兹相位主动调制器件及其制备方法、调制系统，可通过未接触式的温度控制实现太赫兹波调制，该器件体积小，制备方法简单，与一级相变特征材料如cu2s、ag2s等制作的调制器件相比具有增益效果更高的太赫兹波相位调制效果。
38.为便于理解本技术实施例，下面对本技术实施例中涉及到的一些词汇作简单说明。
39.1、太赫兹波：指频率在0.1thz～10thz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波。
40.2、超材料：一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一
些特别的性质，比如能够改变光、电磁波的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。
41.3、表面等离激元效应：当电磁波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
42.为了便于理解，下面结合太赫兹相位主动调制器件结构示意图对本技术实施例进行介绍。
43.如图1所示，本技术实施例提供了一种太赫兹相位主动调制器件141的制备方法，通过该制备方法生产的器件的具体结构如图2所示。
44.具体如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
45.s101：选择基底1411，基底1411在太赫兹波段具有预设的通透率。
46.优先选择对太赫兹波段具有较高透过率的材料，该较高透过率具体可以为透过率大于预设阈值，比如大于90％，满足条件的基底1411的制备材料例如可以选择氮化硅或锗。
47.s102：在基底1411上形成cu2se薄膜层1412。
48.本技术利用了cu2se薄膜层1412处于126.85℃时，cu2se薄膜层1412的热导率达到极小值，能够让金属谐振环1413边沿的温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过太赫兹相位主动调制器件141时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波的效果。
49.s103：在cu2se薄膜层1412上形成金属谐振环1413，金属谐振环1413具有周期对称性结构，金属谐振环1413采用超材料制成。
50.通过上述制备步骤得到的太赫兹相位主动调制器件141，对应的温度控制范围为98.85℃
‑
126.85℃；cu2se薄膜层1412是二级相变材料，二级相变过程中cu2se薄膜层1412的热导率为非线性变化，且当cu2se薄膜层1412的温度处于126.85℃时，cu2se薄膜层1412的热导率出现极小值，通过这一特性能够让金属谐振环1413的边沿温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过太赫兹相位主动调制器件141时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波额效果。
51.在一种可能实现的方式中，在基底1411形成cu2se薄膜层1412，包括：通过化学气相沉积法在基底1411形成cu2se薄膜层1412。由于cu2se薄膜层1412的厚度在微米级别，加工工艺要求极高，而气相沉积法便于控制cu2se薄膜层1412的厚度，使得cu2se薄膜层1412能够均匀的在基底1411的表面成型。
52.在一种可能的实现方式中，在cu2se薄膜层1412上形成金属谐振环1413，包括：磁控溅射或者真空蒸镀制备法在cu2se薄膜层1412上形成金属谐振环1413。通过磁控溅射或者真空蒸镀制备法在cu2se薄膜层1412上形成金属谐振环1413，可以实现cu2se薄膜层1412与金属谐振环1413紧密结合，也可以将金属谐振环1413的尺寸控制在微米级别，小于太赫兹波的波长，再将金属谐振环1413控制成具有周期性对称的特定形状，从而让金属谐振环1413能影响太赫兹波的特性，实现对太赫兹波相位的调制。
53.如图2所示，本技术实施例还提供了一种太赫兹相位主动调制器件141，该太赫兹相位主动调制器件141包括：基底1411、cu2se薄膜层1412和金属谐振环1413。
54.其中，基底1411在太赫兹波段具有预设的通透率。
55.cu2se薄膜层1412形成在基底1411上。
56.金属谐振环1413形成在cu2se薄膜层1412上，金属谐振环1413具有周期对称性结构，并采用超材料制成。
57.太赫兹相位主动调制器件141对应的温度控制范围为98.85℃
‑
126.85℃；cu2se薄膜层1412是二级相变材料，二级相变过程中cu2se薄膜层1412的热导率为非线性变化，且当cu2se薄膜层1412的温度处于126.85℃时，cu2se薄膜层1412的热导率出现极小值，通过这一特性能够让金属谐振环1413的边沿温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过太赫兹相位主动调制器件141时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波的效果。
58.在一种可能的实现方式中，基底1411的材料包括氮化硅或锗。这样，基底1411能够减少太赫兹波的穿透过程中的传输损耗，保证信号的完整性。
59.在一种可能的实现方式中，cu2se薄膜层1412的厚度为5μm。
60.在一种可能的实现方式中，金属谐振环1413的材料包括金、铂、钯或铜；和/或，金属谐振环1413的厚度为1μm
‑
5μm。为了实现金属谐振环1413的超材料特性，其厚度尺寸需小于太赫兹波的波长。
61.在一种可能的实现方式中，金属谐振环1413包括四个相互连接且具有开口的谐振环，谐振环的开口为90
°
。
62.在一种可能的实现方式中，谐振环的外径为15μm，谐振环的内径为13μm。这样，金属谐振环1413的宽度尺寸小于太赫兹波的波长，基于此，金属谐振环1413能够改变太赫兹波的参数特性。
63.本技术实施例提供的金属谐振环1413的结构中，四个相互连接且具有开口的谐振环是周期性对称结构的一种，厚度尺寸和宽度尺寸均小于太赫兹波的波长。具备以上特征的金属谐振环1413能够在太赫兹波穿过时调制太赫兹波的相位，实现超材料的功能。
64.如图4所示，本技术实施例提供了一种太赫兹相位主动调制系统，太赫兹相位主动调制系统1包括太赫兹探测系统、太赫兹相位主动调制器件141和温控模块142。
65.太赫兹相位主动调制器件141安置在太赫兹探测系统产生的太赫兹波传输路径中。
66.温控模块142，温控模块142靠近太赫兹相位主动调制器件141设置，温控模块142能够控制太赫兹相位主动调制器件141的温度。
67.示例性，太赫兹探测系统可以包括飞秒激光光源10、分束器11、太赫兹产生装置12、离轴抛面镜13、太赫兹相位主动调制模块14、太赫兹探测器15、屏幕16、服务器端17、锁相放大处理装置18、第一反射镜19、电动位移平台20和第二反射镜21。
68.具体的，太赫兹探测系统通过飞秒激光光源10产生飞秒激光，飞秒激光经过分束器11分为第一光束和第二光束，第一光束进入太赫兹产生装置12生成太赫兹波，产生的太赫兹波通过13离轴抛面镜进入太赫兹相位主动调制模块14进行调制，太赫兹相位主动调制模块14为太赫兹相位主动调制器件141与温控模块142的结合体，调制后的波束的信息由太赫兹探测器15收集，并传输至锁相放大处理装置18进行处理；第二光束经过第一反射镜19、
第二反射镜21和电动位移平台20后入射到锁相放大处理装置18。锁相放大处理装置18将调制后的波束的信息与第一光束的信息进行对比分析，得到探测结果，并将探测结果上传至服务器端17，以使太赫兹相位主动调制器件141相应的时域信号及相关频谱信息的探测结果显示在屏幕16上。
69.本技术实施例所提供的太赫兹相位主动调制器件，至少包括：基底、cu2se薄膜层、金属谐振环。基底在太赫兹波段具有预设的通透率；cu2se薄膜层形成在基底上；金属谐振环形成在cu2se薄膜层上，金属谐振环具有周期对称性结构，金属谐振环采用超材料制成。其中，太赫兹相位主动调制器件对应的温度控制范围为98.85℃
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126.85℃，cu2se薄膜层是二级相变材料，二级相变过程中cu2se薄膜层的热导率为非线性变化，且当cu2se薄膜层的温度处于126.85℃时，cu2se薄膜层的热导率出现极小值，通过这一特性能够让金属谐振环的边沿温度高于内部温度，影响太赫兹波穿过器件本体时的表面等离激元效应，进而增强调制太赫兹波效果。基于此，太赫兹相位主动调制器件与一级相变特征材料如cu2s、ag2s等制作的调制器件相比具有增益效果更高的太赫兹波相位调制效果；与电控器件相比，所需外加控制方式更容易实现，所需应用成本低。
70.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。