线栅结构及其制造装置的制作方法

本发明属于线栅制造技术领域，具体地讲，涉及一种太赫兹波段的线栅结构及其制造装置。

背景技术：

太赫兹波是位于0.3thz-30thz(其中，1thz＝10¹²hz，波长约为10μm-1mm，光子能量约为1.2mev-120mev)频谱范围内的电磁波，它介于毫米波与红外波之间，是电子学向光子学过渡的区域，也是电磁波谱中一个很重要的波段。

与传统光源相比，太赫兹辐射源具有相干、低能、穿透能力强等独特、优异的特性，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。

近年来，随着真空电子技术、半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，太赫兹科学与应用技术已经成为国际研究的热点。

目前，太赫兹技术主要研究以下三个方面，即太赫兹源、功能器件和检测技术。功能器件是一个很重要的部分，其中，偏振器件作为一种常见的光学元件，在微波和可见光已被广泛使用。但早期，由于太赫兹波的产生和检测技术有限，人们对太赫兹波缺乏了解，使得对它的研究也很少。近年来，随着太赫兹技术的迅猛发展，其产生和检测技术也不断地成熟起来，对偏振器件的性能要求也越来越高。因此，设计制备高性能的太赫兹偏振器件(包括主动器件和被动器件)逐渐引起研究者的重视。

到现在为止，在太赫兹波段人们已经制备出多种多样的偏振器件，最常见的有两种：液晶偏振片和金属线栅型偏振片，而金属线栅型偏振片又包括无衬底偏振片和有衬底基的偏振片。其两者区别在于：有衬底基的偏振片由于衬底的影响，存在消光比不高，带宽窄，干涉严重的问题，于是，该领域的科研人 员通过不断研究希望获取高性能的太赫兹起偏器。

2008年，c.f.hsieh等人利用液晶的双折射特征通过在熔融石英衬底上填充一层液晶，在磁场作用下定向排列，制备出feussner型液晶偏振片，频率为0.2thz-1.0thz，消光系数高达40db，但是液晶层和衬底很难压紧封装，且存在较大的干涉影响。而大多数金属线栅结构的太赫兹偏振器件都是在基底上加工制备出来(即有基底的偏振片)，起初的基底多采用半导体、石英等介电常数较大的经过刻蚀获得金属线栅，这样得到的线栅结构会引起较大的衬底折射率损失。为降低损耗和干涉，在低介电常数聚合物材料(如聚酯薄膜、高密度聚乙烯、低损耗聚乙烯、低密度聚乙烯等)表面上刻蚀金属线栅偏振器件逐渐成为研究者们的焦点。

为了避免基底材料的影响，消除干涉，制备出无基底金属线栅起偏器，可以获得更高的消光比和偏振度，是最为理想的金属线栅结构。尽管微波波段无基底支撑金属线栅的加工、制备工艺已经十分成熟，但对于太赫兹波段来说，无基底金属线栅偏振器件的制备还存在很多问题，例如：衬底折射率高，干涉较为严重，消光比偏低，器件性能还不能满足应用需求，且无基底支撑的样品易变形，加工难度较大等。因此，制备太赫兹波段无基底金属线栅偏振器并使其产业化对太赫兹技术的发展意义重大。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种线栅结构，其包括第一圆环、第二圆环以及多根金属线，其中，所述第一圆环和所述第二圆环彼此贴合在一起，所述多根金属线等间隔夹设于所述第一圆环和所述第二圆环之间，每根金属线横跨所述第一圆环和所述第二圆环的内圆。

进一步地，所述第一圆环和所述第二圆环通过固化剂彼此贴合在一起，并且所述多根金属线通过固化剂夹设于所述第一圆环和所述第二圆环之间。

本发明的另一目的还在于提供一种上述的线栅结构的制造装置，其包括：基准平台、支撑架、直线运动组件、线栅缠绕组件以及放线组件；所述直线运动组件和所述放线组件分别安装在所述基准平台上；所述支撑架安装在所述直线运动组件上，所述支撑架具有同轴的第一联轴器；所述线栅缠绕组件通过所述第一联轴器安装在所述支撑架中，且所述线栅缠绕组件能够进行旋转；所述直线运动组件带动所述支撑架以及所述线栅缠绕组件进行直线运动的方向平行 于所述第一联轴器的轴方向；所述放线组件的放线方向大致垂直于所述第一联轴器的轴方向。

进一步地，所述直线运动组件包括：第一步进电机、第二联轴器、滚珠丝杠、滚珠螺母、螺母座、齿轮增减速装置；所述第一步进电机通过所述第二联轴器与所述滚珠丝杠连接，所述滚珠螺母套接在所述滚珠丝杠上，所述螺母座安装在所述滚珠螺母上，所述支撑架安装在所述螺母座上；其中，所述第一步进电机驱动所述滚珠丝杠转动，转动的所述滚珠丝杠带动所述滚珠螺母进行转动，所述滚珠螺母中的滚珠在滚道内的滚动将转动转化为直线运动，以带动所述螺母座进行直线运动，所述齿轮增减速装置用于调节所述第一步进电机驱动所述滚珠丝杠转动的转速。

进一步地，所述支撑架包括：底板、固定安装在所述底板上的第二步进电机、固定安装在所述底板上且相对设置的第一支撑板和第二支撑板、以及分别设置在所述第一支撑板和所述第二支撑板上且同轴的第一联轴器；其中，所述底板安装在所述直线运动组件的螺母座上；所述线栅缠绕组件通过所述第一联轴器安装在所述第一支撑板和所述第二支撑板中；所述第二步进电机通过所述第一联轴器驱动所述线栅缠绕组件进行旋转。

进一步地，所述支撑架还包括：燕尾滑道、燕尾滑轨；其中，所述底板固定在所述燕尾滑轨上；所述燕尾滑轨卡设于所述燕尾滑道上，以使所述燕尾滑轨沿着所述燕尾滑道进行滑动，从而调节所述第一支撑板与所述第二支撑板之间的间距。

进一步地，所述线栅缠绕组件包括：固定框架、固定定位件；其中，所述固定框架通过所述第一联轴器安装在所述支撑架中；所述固定定位件设置在所述固定框架上，以用于固定定位圆环。

进一步地，所述线栅缠绕组件还包括：金属线缠绕起始件、金属线缠绕结束件；其中，所述金属线缠绕起始件和所述金属线缠绕结束件设置于所述固定框架上，所述固定定位件位于所述金属线缠绕起始件和所述金属线缠绕结束件之间。

进一步地，所述放线组件包括：支撑杆、滑轮、定向片、支撑座、金属线盘；所述支撑座安装在所述基准平台上；所述金属线盘安装在所述支撑座上；所述支撑杆安装在所述基准平台上且位于所述支撑座与所述直线运动组件之 间；所述滑轮及所述定向片均安装在所述支撑杆上；所述定向片具有定向孔；其中，所述金属线盘放出的金属线通过所述定向孔缠绕到所述滑轮上，并通过所述滑轮缠绕到所述线栅缠绕组件上。

进一步地，所述放线组件还包括：阻尼调节件；所述阻尼调节件安装在所述支撑座上，用于调节所述金属线盘所受阻力大小，进而调节所述金属线盘放出的金属线的张力大小。

本发明的有益效果：本发明的线栅结构及其制造装置，制造金属线栅结构的方法简单，成品率较高，与传统光刻技术获得的线栅相比，在提高性能的基础上大大降低了成本。此外，本发明的金属线栅是利用计算机自动控制通过缠绕法绕制后分离而成，金属线栅的结构参数(例如金属线的线径和线栅周期)可通过改变计算机编程语言，根据实际需要进行适当调节。由于本发明中的线栅结构没有衬底支撑，不仅避免了衬底干涉影响，提高金属线栅的偏振传输性能，而且支撑线栅结构的样品不易变形，加工难度适中，为产业化提供了可能。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的线栅结构的主视图、侧视图以及局部放大图；

图2是根据本发明的实施例的金属线栅的原理图；

图3是根据本发明的实施例的线栅结构的制造装置的立体图；

图4是根据本发明的实施例的支撑架、直线运动组件、线栅缠绕组件的侧视图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。相同的标号在附图中 始终表示相同的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

图1是根据本发明的实施例的线栅结构的主视图、侧视图以及局部放大图。

参照图1，根据本发明的实施例的线栅结构包括：第一圆环10、第二圆环20以及多根金属线30；其中，第一圆环10和第二圆环20彼此贴合在一起；多根金属线30等间距平行排列于第一圆环10和第二圆环20之间，以形成金属线栅；每根金属线30都横跨第一圆环10和第二圆环20的内圆。

进一步地，第一圆环10和第二圆环20通过固化剂40彼此贴合在一起，并且多根金属线30通过固化剂40等间距平行排列于第一圆环10和第二圆环20之间。在本实施例中，固化剂40是采用环氧树脂与低分子聚酰胺树脂按体积比1：1混合而成；但本发明并不限制于此。

在本发明的实施例中，金属线30采用钨丝，但本发明并不限制于此，例如，金属线30还可以采用镀金的钨丝或者其他强度较高、电导率较好的金属丝。这样，可以使金属线30具有足够的拉伸强度和较高的电导率，本发明中，金属线30的直径d为40μm，在实际应用中金属线直径可以更小。

第一圆环10和第二圆环20采用外径(即外圆直径)为82.4mm，内径(即内圆直径)为63.6mm，厚度为2mm的无氧铜环，但本发明并不限制于此，例如，第一圆环10和第二圆环20可由椭圆环或者方形环等替代。此外，需要说明的是，第一圆环10和第二圆环20的制作材料还可以是铝、合金或者耐高温柔性材料等。等间距平行排列的多根金属线30形成的金属线栅的周期的设定取决于入射波的波长范围，由于本发明的实施例选用的入射波为太赫兹波，其频率在0.1thz-1.5thz(波长为200μm-3000μm)，因此等间距平行排列的多根金属线30形成的金属线栅的周期优选为不大于150μm。而衡量金属线栅性能好坏的参数为消光比和透过率。需要说明的是，第一圆环10和第二圆环20的厚度可在1mm-10mm之间调节。

在本发明的实施例中，形成的金属线栅采用圆柱形的金属线30，一旦金属线30的直径确定，只需要考虑线栅周期和入射波波长λ对金属线栅性能的影响即可。理论上，当λ>>时，金属线栅的偏振度不会受金属线30微小变形的影 响；当入射波长λ接近线栅周期时，则金属线栅的偏振度会降低，并且演化成一种金属线直径与线栅周期的复杂关系。实际上，当时，测试值和理论值较为接近。根据本发明的实施例提供的入射波波长范围，可以设定线栅周期因此，在实验中，预设各金属线30彼此之间的间距为80μm，自动绕制完成后，通过显微镜测量线栅间距，其平均值为76.610μm，利用thz-tds测量可得：该无基底金属线栅的频率在0.1thz-1.5thz，消光比高达25db。

在本发明的实施例中，消光比exp公式为：exp＝10log(p1/p2)；其中，p1为电场矢量垂直于金属线栅时的最大透过率，p2为电场矢量平行于金属线栅时的最小透过率。

本发明的实施例的金属线栅制作方法简单，成品率较高，与传统光刻技术获得的线栅相比，在保证性能的基础上大大降低了成本。

此外，由于根据本发明的实施例的金属线栅是利用自动控制通过缠绕法绕制后分离而成，没有衬底支撑，因此根据本发明的实施例的金属线栅至少具有的结构优点：(1)金属线栅结构参数可调，包括金属线的线径和线栅周期，可根据需求调节；(2)无衬底材料可提高金属线栅的偏振传输性能；(3)可改变圆环的厚度，获得两层甚至三层的偏振器件，例如将制备的两个或者三个线栅结构粘合在一起，且各线栅的方向存在一定夹角，这样的线栅结构在太赫兹技术领域也是有一定价值的。

同时，根据本发明的实施例的金属线栅的起偏振特性有利于激光器中具有偏振特性的混杂模(ehmn)的优先振荡，具有选模功能。应用在红外和远红外频段不同参数的金属线栅对红外和远红外电磁波可以分别实现选择性高透射和高反射。此外，金属线栅还可以作为太赫兹光束分束器、偏振器、检偏器、光学隔离以及电磁屏蔽等器件，是不可缺少的光学器件。

图2是根据本发明的实施例的金属线栅的原理图。

参照图2，根据本发明的实施例的金属线栅具有独特的偏振特性，其原因在于当入射波波长远大于线栅周期时，入射波偏振方向与金属线栅方向平行的偏振光(te波)激发金属线30的电子而产生电流，使得该方向的偏振光反射。而入射波偏振方向与金属线栅方向垂直的偏振光(tm波)由于该方向上有空气间隙将金属线30隔离而无法产生电流，此时电磁波会透射过去。当入射波波长 与线栅周期差不多时，两个分量都透射。由于根据本发明的实施例的金属线栅由良导体制成，吸收可以忽略。

以下将对根据本发明的实施例的线栅结构的制造进行详细说明。

图3是根据本发明的实施例的线栅结构的制造装置的立体图。图4是根据本发明的实施例的支撑架、直线运动组件、线栅缠绕组件的侧视图。

参照图3和图4，根据本发明的实施例的线栅结构的制造装置包括：基准平台100、支撑架200、直线运动组件300、线栅缠绕组件400、放线组件500。

直线运动组件300和放线组件500分别固定安装在基准平台100上；其中，直线运动组件300的运动方向与放线组件500的放线方向大致垂直。支撑架200安装在直线运动组件300上，以使直线运动组件300带动支撑架200进行直线匀速运动。支撑架200具有同轴的两个第一联轴器260；线栅缠绕组件400通过第一联轴器260安装在支撑架200中，且线栅缠绕组件400能够进行旋转。直线运动组件300带动支撑架200以及线栅缠绕组件400进行直线匀速运动。这里，直线匀速运动的方向平行于第一联轴器260的轴方向；放线组件500的放线方向大致垂直于第一联轴器260的轴方向。

具体地，直线运动组件300包括：第一步进电机310、第二联轴器320、滚珠丝杠330、滚珠螺母340、螺母座350以及齿轮增减速装置(未标识)。

第一步进电机310通过第二联轴器320与滚珠丝杠330连接，以使第一步进电机310通过第二联轴器320驱动滚珠丝杠330进行转动；滚珠螺母340套接在滚珠丝杠330上，螺母座350安装在滚珠螺母340上，支撑架200安装在螺母座340上。当第一步进电机310驱动滚珠丝杠330转动时，转动的滚珠丝杠330带动滚珠螺母340进行转动，而滚珠螺母340中的滚珠在滚道内的滚动将转动转化为直线匀速运动，以带动螺母座350进行直线匀速运动。齿轮增减速装置可设置于第一步进电机310与第二联轴器320之间，以用于调节第一步进电机310驱动滚珠丝杠330转动的转速，从而控制螺母座350进行直线匀速运动的速度。采用这种传动方式的特点包括：传动效率可高达92％～98％；用滚珠的滚动代替了普通丝杠螺母副的滑动，使其摩擦力较小；轴向间隙可以消除；使用寿命成长等。

支撑架200包括：底板210、固定安装在底板210上的第二步进电机220、固定安装在底板210上且相对设置的第一支撑板240和第二支撑板250、以及分 别设置在第一支撑板240和第二支撑板250上且同轴的第一联轴器260。

这里，底板210安装在直线运动组件300的螺母座350上；线栅缠绕组件400通过第一联轴器260安装在第一支撑板240和第二支撑板250中；第二步进电机220可安装于设置在第一支撑板240背向第二支撑板250一侧的第三支撑板290上，并通过第一联轴器260与线栅缠绕组件400连接，从而第二步进电机220通过第一联轴器260驱动线栅缠绕组件400进行旋转。

进一步地，所述支撑架200还包括：燕尾滑道270、燕尾滑轨280；其中，底板210固定在燕尾滑轨280上；燕尾滑轨280卡设于燕尾滑道270上，以使燕尾滑轨280沿着燕尾滑道270进行滑动，从而调节第一支撑板240与第二支撑板250之间的间距。

线栅缠绕组件400包括：固定框架410、固定定位件420。

固定框架410通过第一联轴器260安装在第一支撑板240和第二支撑板250中；固定定位件420设置在固定框架410上，以用于固定定位圆环(诸如上述的第一圆环10或第二圆环20)。在本实施例中，固定定位件420可由四个垫片组成，但本发明并不限制于此。固定框架410的材料可以是铝、不锈钢、玻璃纤维等，其中，为了改善绕线中的线栅的均匀性，固定框架410的材料需进行适当的表面处理，从而保证适当的硬度和粗糙度。

进一步地，线栅缠绕组件400还包括：金属线缠绕起始件430、金属线缠绕结束件440；其中，金属线缠绕起始件430和金属线缠绕结束件440设置于固定框架410上，并且固定定位件420位于金属线缠绕起始件430和金属线缠绕结束件440之间。

放线组件500包括：支撑杆510、滑轮520、定向片530、支撑座540、金属线盘550。

支撑座540安装在基准平台100上；金属线盘550安装在支撑座540上；支撑杆510安装在基准平台100上且位于支撑座540与直线运动组件300之间。在本实施例中，放线组件500包括两个支撑杆510；但本发明并不限制于此，例如可根据实际需求增减支撑杆510的数量。在每个支撑杆510上安装一个滑轮520。定向片530安装在靠近支撑座540的支撑杆510上，并且定向片530上具有定向孔531。

金属线盘550放出的金属线通过定向孔531缠绕到每个滑轮520上，并通 过滑轮520缠绕到线栅缠绕组件400上。在金属线的传动过程中中，通过调节两个滑轮520以及定向孔531来保证金属线的直线度，两个滑轮520的高度可以调节，定向孔531的直径为1mm，且可以在定向孔531周围用尼龙包覆，避免金属线传动过程中由于局部应力集中产生断裂。

进一步地，放线组件500还包括：阻尼调节件560；其中，阻尼调节件560安装在所述支撑座540上，用于调节金属线盘550所受阻力大小，进而调节金属线盘550放出的金属线的张力大小。在金属线传动过程中，阻尼调节件560的设置可保证金属线受力均匀，变形小，进而保证金属线不松动变形。

以下对采用图3和图4所示的制造装置制造图1所示的线栅结构进行说明。

首先，将第一圆环10(或者第二圆环20)放置于固定框架410上，并由固定定位件420固定定位。

接着，金属线盘550放出的金属线(例如钨丝)通过定向孔531缠绕到每个滑轮520上，并经过滑轮520而连接到金属线缠绕起始件430上。

接着，通过控制器(未示出)控制直线运动组件300进行直线匀速运动，从而带动线栅缠绕组件400进行直线匀速运动，同时控制金属线盘550以相应的速度放出金属线；这样，金属线缠绕在第一圆环10上。

接着，当金属线缠绕停止结束后，将金属线的末端连接到金属线缠绕结束件440上。

接着，取下固定框架410，利用第二圆环20(或者第一圆环10)通过固化剂40贴合到第一圆环10(或者第二圆环20)上。

最后，将第一圆环10和第二圆环20之外的金属线剪掉，从而形成线栅结构。

综上所述，根据本发明的实施例，制造金属线栅的方法简单，成品率较高，与传统光刻技术获得的线栅相比，在保证性能的基础上大大降低了成本。此外，由于根据本发明的实施例的金属线栅是利用自动控制通过缠绕法绕制后分离而成，没有衬底支撑，因此根据本发明的实施例的金属线栅的结构参数(例如金属线的线径和线栅周期)可调，并且无衬底支撑可提高金属线栅的偏振传输性能。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将 理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。