一种双向机械调谐的太赫兹波调制器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及太赫兹波调制器的技术领域，特别是指一种双向机械调谐的太赫兹波调制器及其制备方法和应用。

背景技术：

太赫兹波通常指的是频率在0.1thz～10thz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，在长波段与微波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电磁波谱上电子学领域向光子学领域的过渡区。

当太赫兹波与物质发生相互作用时，会有许多新颖、奇特的物理或化学现象发生，这就为其应用在thz成像，短距离无线通信和材料特性表征等领域提供了有利条件。thz波在物质内部传播时不会使材料发生电离；遇到纳米量级的缺陷也不会发生散射；而且能够穿透非金属材料，例如：纸、衣服、塑料和陶瓷。这些特性吸引了众多科研人员的目光，使得其在医学成像、高速通讯、安全检测、物质鉴定和水分表征等尤其是在太赫兹通讯领域有着广泛的应用，且被称为“改变未来世界的十大技术之一”。

对于太赫兹波段的研究主要分为三部分：太赫兹辐射、太赫兹探测和太赫兹的调控。经过以往二十多年的发展，太赫兹的发生和探测取得了巨大进展，发展已经较为成熟。而作为太赫兹应用核心部件的太赫兹调控器，是目前该领域研究的重要对象。现有调制器件在工作带宽、调制深度、调制速率、插入损耗和调控技术手段等诸多方面尚不能完全满足未来应用的实际要求。实现高效、实用的调制效果，获得新的太赫兹调制器件是现今亟待解决的科学问题。对于太赫兹调控来说，可通过光学、电学、光电结合、热学和机械调控等多种方法实现对太赫兹波频率、相位、偏振和强度等物理量的调控。可通过单场或多场调控的实现对单个或多个物理量的调控，调控方式多种多样，研究空间非常大。

近年来，利用不同的材料和设计对thz波进行主动操纵，已经取得了很大的进展。其中，拉伸、缠绕、旋转等机械调谐是实现thz波调制的有效途径。但是目前，具有机械拉伸能力的thz调控器件大多存在加工复杂、成本高、拉伸能力低、调制深度受限等问题。

技术实现要素：

基于现有的具有机械拉伸能力的thz调控器件大多存在加工复杂、成本高等问题，本发明提出一种双向机械调谐的太赫兹波调制器及其制备方法和应用，与已有的技术相比较，该调制器制备方法较为简单，成本低廉，且调控方便，可分别或同时在两个不同方向进行连续拉伸调控。

本发明的技术方案是这样实现的：一种双向机械调谐的太赫兹波调制器，包括固定控制架，固定控制架包括底板，底板上设置有可调形变，且对太赫兹有响应的阵列元件，阵列元件对应的底板上设置有便于太赫兹波通过的开孔，阵列元件的右端和下端均连接有微位移机构，微位移机构设置于底板上，阵列元件的左端和上端均通过第一固定座设置于底板上。

进一步地，微位移机构包括微位移板平台、第二固定座和千分尺，微位移板平台设置于底板上，且与千分尺的螺杆相连，千分尺固定于底板上，第二固定座固定于微位移平台上，阵列元件的右端和下端分别与对应的第二固定座固定相连。

进一步地，阵列元件为ni纳米线阵列，ni纳米线阵列包括有序排列的ni纳米线层，ni纳米线层的两侧分别设置有pdms衬底层和封装层。

进一步地，有序排列的ni纳米线层指的是各条ni纳米线之间呈平行排列。

进一步地，第一固定座包括置于底板上的第一固定板，第一固定板远离底板的一侧设置有第二固定板，阵列元件的端部对应的置于第一固定板和第二固定板之间，第一固定板和第二固定板通过螺丝固定于底板上。

进一步地，第二固定座包括置于微位移板平台上的第三固定板、第三固定板远离底板的一侧设置有第四固定板，阵列元件的端部对应的置于第三固定板和第四固定板之间，第三固定板和第四固定板通过螺丝固定于底板上，第一固定板和第三固定板远离底板的一侧保持水平且在同一水平面上，第二固定板和第四固定板远离底板的一侧保持水平且在同一水平面上。

所述的一种双向机械调谐的太赫兹波调制器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备ni纳米线阵列；

(2)将ni纳米线阵列对应底板的开孔处，ni纳米线阵列的左端和上端分别置于对应的第一固定板和第二固定板之间，然后通过螺丝将第一固定板和第二固定板固定于底板上；

(3)将ni纳米线阵列的右端和下端分别固定于对应的第三固定板和第四固定板之间，然后通过螺丝将第三固定板和第四固定板固定于微位移板平台上，旋转右端和/或下端的千分尺调节微位移板平台在底板上的位置，然后将微位移平台通过螺丝固定于底板上。

进一步地，步骤(1)中，制备ni纳米线阵列的方法，包括以下步骤：

1)采用化学还原法制备ni纳米线；

2)将pdms旋涂在pe基底上，加热固定成型，形成pdms衬底层。

3)利用磁场排列技术将所述ni纳米线有序的沉积在pdms衬底层上；

4)用pdms覆盖在ni纳米线上形成pdms封装层，pdms封装层不破坏ni纳米线有序的阵列结构；

5)将步骤4)制备的pdms双层包覆的ni纳米线阵列从pe基底上轻轻揭下。

一种双向机械调谐的太赫兹波调制器在制备太赫兹功能器件中应用。

进一步地，太赫兹功能器件包括包括太赫兹波导、太赫兹偏振器、太赫兹波调制器、太赫兹波天线和太赫兹波开关。

本发明的有益效果：

本发明所双向调控太赫兹波调制器，采用pdms-ni纳米线-pdms三明治阵列结构和可调位置的固定拉伸系统，可实现对太赫兹波强度的调制，具有制备简单，应用范围广，成本低廉等特点，对未来太赫兹光谱应用的发展有着广泛的应用前景。

本发明主要是改变器件中微位移平台的位移连续调控样品的形变来实现对太赫兹波强度的调控。ni纳米线阵列被加紧在对应的固定板之间，而有微位移平台的两侧可被同时拉伸或者分别拉伸。旋动微位移平台上连接的千分尺旋柄可调节微位移平台在底板上的位置，同时被加紧在固定板之间的纳米线阵列被拉伸，可以通过控制ni纳米线阵列的形变，来调控太赫兹波与ni纳米线阵列的相互作用。

本发明所提供的ni纳米线阵列在材料上选用柔性的pdms作为衬底层，在pdms衬底层上通过磁场法排列高度有序的ni纳米线阵列，然后在ni纳米线阵列上涂覆一层聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜作为封装层。pdms包覆层具有完全弹性、形变可恢复性的特点，且包覆的ni纳米线具有非连续性，所述的ni纳米线阵列结构具有可回复性、可重复利用的特点；而且采用pdms包覆层，便于通过调控pdms初始配比，从而实现对柔性阵列的插入损耗、拉伸形变的调控。

所述衬底层的制备是以pe作为基片，将pe剪裁成想要的形状，涂覆pdms并加热固定成型，pe板剪裁方便，价格低廉，且可作为模具重复利用。通过改变pe基底的形状，可控制成型样品的形状。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一固定座的的结构示意图；

图3为第二固定座的结构示意图；

图4为阵列元件的结构示意图；

图5为图4中a-a的剖面图。

底板1，阵列元件2，开孔3，第一固定板4，第二固定板5，微位移板平台6，千分尺7，第三固定板8，第四固定板9，ni纳米线层10，pdms衬底层11，pdms封装层12，第一固定座13，第二固定座14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的“上、下、左、右”等术语是相对于图1所示的位置关系。

实施例一

如图1所示，一种双向机械调谐的太赫兹波调制器，包括固定控制架，固定控制架包括底板1，底板1采用有机玻璃制备，底板1上设置有可调形变，且对太赫兹有响应的阵列元件2，阵列元件2对应的底板1位置上设置有便于太赫兹波通过的开孔3，阵列元件2的右端和下端均连接有微位移机构，微位移机构设置于底板1上，阵列元件2的左端和上端均通过第一固定座13设置于底板1上，如图2所示，第一固定座13包括置于底板1上的第一固定板4，第一固定板4远离底板1的一侧设置有第二固定板5，阵列元件2对应的端部置于第一固定板4和第二固定板5之间，第一固定板4和第二固定板5通过螺丝固定于底板1上，从而实现位于中间的阵列元件2的固定夹紧。

如图1所示，微位移机构包括微位移板平台6、第二固定座14和千分尺7，微位移板平台6与千分尺7的螺杆相连，千分尺7固定于底板1上，通过千分尺7调整微位移平台在底板1上的位置，来控制阵列元件2的形变，然后将微位移平台与底板1通过螺丝固定相连，第二固定座14固定于微位移平台上，阵列元件2的右端和下端分别与对应的第二固定座14固定相连。

如图3所示，第二固定座14包括置于微位移板平台6上的第三固定板8、第三固定板8远离底板1的一侧设置有第四固定板9，阵列元件2对应的端部置于第三固定板8和第四固定板9之间，第三固定板8和第四固定板9通过螺丝固定于底板1上，从而实现位于中间的阵列元件2的固定夹紧。第一固定板4和第三固定板8远离底板1的一侧保持水平且在同一水平面上，即第一固定板4较厚固定于与底板1上，第三固定板8较薄固定于微位移板平台6上，第二固定板5和第四固定板9远离底板1的一侧保持水平且在同一水平面上，从而使阵列元件2的四端均保持水平，且在同一水平面上。

实施例二

本实施例与实施一基本相同，不同之处在于：如图4和5所示，阵列元件2为pdms(聚二甲基硅氧烷)封装的ni纳米线阵列，ni纳米线阵列成十字型结构，相邻端部之间呈弧形连接，ni纳米线阵列包括有序排列的ni纳米线层10，ni纳米线层10的一侧设置有pdms衬底层11，另一侧设置有pdms封装层12。有序排列的ni纳米线层10指的是各条ni纳米线之间呈平行排列。

ni纳米线层10两侧的衬底层或封装层，也可为其他的柔性材料如聚酰亚胺、对二甲苯等。

ni纳米线层10也可为其他所有对太赫兹有响应的材料，如纳米颗粒、谐振环阵列等。

实施例三

所述的一种双向机械调谐的太赫兹波调制器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备ni纳米线阵列；

(2)将ni纳米线阵列对应底板1的开孔3处，ni纳米线阵列的左端和上端分别置于对应的第一固定板4和第二固定板5之间，然后通过螺丝将第一固定板4和第二固定板5固定于底板1上；

(3)将ni纳米线阵列的右端和下端分别固定于对应的第三固定板8和第四固定板9之间，然后通过螺丝将第三固定板8和第四固定板9固定于微位移板平台6上，旋转右端和/或下端的千分尺7调节微位移板平台6在底板1上的位置，然后将微位移平台通过螺丝固定于底板1上。

进一步地，步骤(1)中，制备ni纳米线阵列的方法，包括以下步骤：

1)采用化学还原法制备ni纳米线；

2)将pdms旋涂在pe基底上，加热固定成型，形成pdms衬底层11。

3)利用磁场排列技术将所述ni纳米线有序的沉积在pdms衬底层11上；

4)用pdms覆盖在ni纳米线上形成pdms封装层12，pdms封装层12不破坏ni纳米线有序的阵列结构；

5)将步骤4)制备的pdms双层包覆的ni纳米线阵列从pe基底上轻轻揭下。

步骤1)中，化学还原法制备ni纳米线包括以下步骤：

1、称取0.12g的六水合氯化镍加入到5ml的乙二醇中，采用磁力搅拌加超声分散方法使镍离子分散在乙二醇中，形成透明的草绿色溶液(溶液1)；

2、称1.2g的氢氧化钠溶于35ml乙二醇中得到无色溶液，同样地采用磁力搅拌和超声分散的方法，使其溶解并获得无色溶液；待混合均匀后，将10ml水合肼作为还原剂加入已经配置好的氢氧化钠乙二醇溶液中，持续搅拌均匀后溶液变成浅蓝色(溶液2)；

3、将配制好的溶液2置于水浴锅中，将水浴锅放置在磁场强度约为0.05t的外部磁场中，加热水浴锅至75℃，将溶液1利用滴管匀速滴加至溶液2中，恒温15分钟；

4、反应完毕后，取出烧杯，降温，利用超声池分散含有产物的溶液，最后利用磁铁吸取出黑灰色产物，并用去离子水、乙醇和丙酮分别清洗3遍，即可制备出比较纯净的ni纳米线。所制备的ni纳米线长约为50μm，直径约为300nm左右。

步骤2)中，pdms衬底层11的制备：pe基底清洗剪裁，将调配好的pdms倒在基底上，匀胶机进行匀胶减薄，移至烘箱进行加热固定成型。

步骤3)中，ni纳米线的排列：利用ni纳米线倒入适量无水乙醇并超声形成浑浊液，然后将浑浊液倒入底部含有柔性pdms衬底的烧杯中，将两端固定有磁铁的盒子放入干燥箱后加入含有浑浊液的烧杯，使ni纳米线在磁场作用下沉降在衬底上。ni纳米线阵列中的ni纳米线数量可通过控制排列时分散的ni纳米线的浓度自由调控。ni纳米线阵列的插入损耗、消光比、调制深度可根据实际需进行调控。

步骤4)中，pdms封装层12：适量调配好的pdms倒在排列有纳米线的衬底上，用甩胶机甩匀，加热使pdms变固定成型，pdms封装层12用于ni纳米线的防氧化。

在双向可调的赫兹波调制器中，ni纳米线阵列正对底板1的开孔3处，太赫兹波可通过开孔3处进行传播。太赫兹波是偏振的，可以通过控制放置ni纳米线阵列的角度控制ni纳米线阵列与太赫兹波电场方向的夹角。此时，ni纳米线的磁偶极矩和入射的太赫兹波之间会发生相互作用，对太赫兹波进行调控。连续调整微位移平台的位移，控制纳米线阵列的形变，可以控制ni纳米线与入射电磁波的相互作用，实现对材料的电磁响应的调控。

实施例四

所述的双向机械调谐的太赫兹波调制器在制备太赫兹功能器件中应用。

所述的太赫兹功能器件包括包括太赫兹波导、太赫兹偏振器、太赫兹波调制器、太赫兹波天线、太赫兹波开关、太赫兹波衰减器。

所述的太赫兹波衰减器得制备方法如下：

a)制备ni纳米线；

b)利用磁场排列技术将所述ni纳米线有序排列在基底上；

c)利用微电子加工工艺将同层纳米线阵列间隔分段；

d)用pdms覆盖在ni纳米线阵列上，须与pe基底有着良好的接触。

其中，步骤a)中，采用化学还原法制备ni纳米线，具体步骤同实施例三的ni纳米线制备方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。