一种高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹探测技术领域，具体涉及一种高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口。
【背景技术】
[0002]太赫兹波指频率介于0.1-1OTHz (波长3mm-30 μ m)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间，因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检查的方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研宄的最后一个频率窗口。
[0003]常见的THz探测器类型主要有制冷的Ge、Si和InSb测辐射热计(Bolometer)、高莱探测器(Golay Cell)、热释电(Pyroelectric)、肖特基二极管、场效应晶体管等单元或者多元探测器。目前比较成熟的热释电和微测辐射热计(Mic1-Bolometer)都属于热探测器，都是通过吸收材料对THz辐射吸收产生的热效应使相应敏感材料的物理性质发生变化而检测出辐射强度。由于红外辐射的热效应比THz辐射更强，故实际应用会极大地受到红外辐射的影响，增加了背景噪声。在THz辐射探测中，其辐射波长的吸收和红外背景噪声的屏蔽过滤作为一项不可避免的任务待为解决。
[0004]太赫兹探测器光窗要求具有高的太赫兹辐射透过率。传统的抗反射方法是在光窗表面上利用物理或是化学的方法涂覆一层或多层介质薄膜。然而这种传统的抗反射方法存在涂层与基底的附着性、薄膜的抗蚀性能、热膨胀系数不匹配以及膜层与基底、膜层与膜层之间的扩散和组分渗透问题。
[0005]亚波长抗反射结构很好的解决了传统抗反射膜的缺点。亚波长结构是指其特征尺寸小于工作波长的结构，具有较高的衍射效率。由于亚波长结构是通过刻蚀的方法制作在器件表面的，抗反射结构和基底同为一体，因而可以解决传统抗反射膜附着性、抗蚀性、热膨胀失配、组分渗透和扩散的问题。
[0006]太赫兹探测器光窗还要求具有低的红外光谱通过率，因为背景红外辐射干扰太赫兹探测单元的响应。考虑到二氧化硅材料，其对红外波段光谱吸收仅存在与S1-O-Si键的反对称伸缩振动和S1-O键的对称伸缩振动产生吸收峰；此吸收峰为一些窄带峰值叠加形成，不能对整个红外波段进行完全屏蔽。因此，需要寻找一种可以有效屏蔽红外波段的材料。
[0007]超材料(Metamaterial)，从频率选择表面FSS(Frequency Selective Surface)结构发展而来，是一种具有传统材料所不具备的超常物理性质的特种复合材料。通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，从而实现定制化电磁功能的需求。
[0008]超材料从LC谐振(L为电感，C为电容)和电偶极子谐振原理出发，设计了可以对固定频率附近波长电磁辐射进行吸收的超材料吸收器，其负折射率效应产生相位变化的四分之一玻片结构以及对某波长的调制效应和开关效应等。金属网格结构利用超材料结构中对电磁场调制功能的谐振和截止效应，可以适应在低频波段进行透过和调制，对高频波段屏蔽和截止过滤，是对THz福射透过及红外屏蔽的最好选择。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口，该窗口能够在赫兹波段的透过率高于90 %，并且背景红外波段辐射的通过率低于I %，广泛适用于各种太赫兹探测成像器件的光学窗口。
[0010]本发明的技术方案为:
[0011]一种高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口，所述光学窗口由顶层向下至底层包含四层结构，第一层为金属网格结构，第二层为介质薄膜，第三层为窗口衬底，第四层为亚波长抗反射结构，所述金属网格结构为周期性排列的金属方块图形，所述亚波长抗反射结构为呈周期矩阵排列的四方柱体浮雕结构。
[0012]进一步的，所述金属网格结构的金属方块图形边长为4?6μπι，排列周期为6-8 μ m，金属厚度为50-200nm ;所述金属材料为金、铜、铁、销、镲、络或其合金。
[0013]所述介质薄膜为氮化硅、氧化硅等介电材料，对红外波段有较好的吸收，对太赫兹波吸收微弱，其厚度为50?500nm。
[0014]所述窗口衬底为硅、锗、高阻硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯等窗口材料，衬底厚度为0.5?3mm。
[0015]所述亚波长抗反射结构为呈周期矩阵排列的四方柱体浮雕结构，用于提高窗口衬底太赫兹波透过率，其浮雕尺寸设计根据透射太赫兹频点确定，周期尺寸为5?50 μ m。
[0016]另外，本发明光学窗口放置方式为顶层入射、底层出射或底层入射、顶层出射。
[0017]本发明高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口的制备方法，包括以下步骤:
[0018]步骤1.窗口衬底处理，对窗口衬底进行清洗后烘干备用；
[0019]步骤2.刻蚀亚波长抗反射结构，采用离子反应刻蚀方法在窗口衬底下表面刻蚀呈周期矩阵排列的四方柱体浮雕结构；
[0020]步骤3.沉积介质薄膜，采用PECVD方法在窗口衬底上表面沉积介质薄膜；
[0021]步骤4.溅射金属网格结构，采用磁控溅射技术在介质薄膜表面制备金属网格结构，即制备得光学窗口。
[0022]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0023]本发明提供的高太赫兹波透过率和低红外光通过率的光学窗口能够在2.52THz太赫兹频点的透过率达到99.05%，且过滤99%以上的中远红外波段辐射；另外，该光学窗口制备工艺简单，结构重复度高，适合大规模生产。
【附图说明】
[0024]图1为本发明光学窗口结构示意图，其中，I为金属网格结构，2为介质薄膜，3为窗口衬底，4为亚波长抗反射结构。
[0025]图2为本发明光学窗口金属网格结构示意图。
[0026]图3为窗口下表面的四方柱体浮雕结构结构俯视图。
[0027]图4为本发明实施例中太赫兹光学窗口在太赫兹波段的透过率，在2.52THz太赫兹频点的透过率达到99.05%。
[0028]图5为本发明实施例中太赫兹光学窗口在在红外波段的透过率，在10 μm附近的透过率低于1%。
【具体实施方式】