利用金属薄膜产生并增强太赫兹波信号强度的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹波源产生技术领域，特别是涉及一种利用金属薄膜产生太赫兹并增强太赫兹波信号强度的方法。
【背景技术】
[0002]利用纳米结构的金属薄膜提高飞秒激光与金属相互作用效率，产生出高能太赫兹超连续谱，而后通过迈克尔逊干涉系统相干测量出其时域波形；实验测定了钌、铂、金和钛四种金属薄膜所辐射的太赫兹波的波束分布为类偶极辐射状，辐射强度随入射光强的提高而增强。最终实验测得钌金属薄膜在氮气中可辐射产生单脉冲能量最高为66.31yj(能量转换效率可达1%)，频谱覆盖为0.25-150THZ的高能太赫兹超连续谱。该结果为目前所能查到的资料中，金属样品辐射产生太赫兹波能量最高，频谱覆盖最宽的实验。另外，利用金属钌和铂产生太赫兹波，它们可产生出能量为60yJ，频谱覆盖10THz以上的太赫兹超连续谱;并提出电子加速运动模型为金属薄膜产生太赫兹超连续谱的主要机制，其辐射场强与自由电子密度、速度和加速度有关。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种利用金属薄膜产生并增强太赫兹波信号强度的系统和方法，用以实现具有系统构成简单、购买和维护成本较低和稳定性较高的能增强太赫兹波信号强度的目的。
[0004]为达到上述目的，本发明提供了一种利用金属薄膜产生并增强太赫兹波信号强度的系统，所述系统包括激光器、斩波器、太赫兹波探测器、衰减片、凸透镜、金属薄膜、气室和硅片，其中:
[0005]激光器、斩波器、衰减片、凸透镜、气室、硅片、太赫兹波探测器依次设置在光路上，金属薄膜设置在气室内的亚波长阵列孔结构氧化物模板上，激光器产生的飞秒激光通过斩波器进行斩波后，再经过衰减片，最后由凸透镜聚焦在亚波长阵列孔结构氧化物模板上的金属薄膜上，获得太赫兹辐射源;其中气室内的气体种类和压强均可调节，从氧化物模板出射的太赫兹辐射源，投射到硅片上，并由太赫兹波探测器接收。
[0006]进一步地，所述激光器为飞秒激光放大器或飞秒激光振荡器。
[0007]进一步地，所述太赫兹波探测器为热释电探测器或高莱探测器。
[0008]为达到上述目的，本发明提供了一种利用金属薄膜产生太赫兹并增强太赫兹波信号强度的方法，包括以下步骤:
[0009]步骤一、飞秒激光通过频率为15-20HZ的斩波器进行斩波后，再经过衰减片，最后由透镜聚焦在亚波长阵列孔结构氧化物模板上的金属薄膜上，获得太赫兹辐射源，其中气室内的气体种类和压强均可调节;从氧化物模板出射的太赫兹辐射源，投射到450μπι厚的硅片上，并由太赫兹波探测器接收，其中，激光器、斩波器、衰减片、凸透镜、气室、硅片、太赫兹波探测器依次设置在光路上，金属薄膜设置在气室内的亚波长阵列孔结构氧化物模板上；
[0010]步骤二、改变气室内气体的种类和压强，获得金属薄膜产生太赫兹辐射场强与金属薄膜种类，金属薄膜所在气体的种类和金属薄膜所在气体压强的关系。
[0011]进一步地，所述金属薄膜的材质分为多种，其制备方法是利用磁控溅射的方法将舒、铂、金、钛、银或钯金属镀在有亚波长结构的基底材料上制备成表面具有1nm量级粗糙度的金属薄膜。
[0012]进一步地，所述气室的直径为220mm，长度为161mm，高度为360.90mm，前窗为直径38.1mm、5mm厚的石英板，后窗为直径50.8mm、4.5mm厚的娃片，所述气室连接有气体稀释系统，气体稀释系统将纯的气体冲到气室中或从气室中导出，实现气室中的压强的精准控制。
[0013]进一步地’所述气体的种类为也’他’他^^^或其它稳定气体。
[0014]钌(Ru)金属薄膜在常压氮气中可辐射产生单脉冲能量最高为66.31yj，该结果为目前所能查到的资料中，金属样品辐射产生太赫兹波能量最高的实验。有鉴于此，本发明要解决的技术问题是探究金属薄膜产生太赫兹，其辐射场强与金属薄膜种类，金属薄膜所在气体的种类和金属薄膜所在气体压强的关系，并且本发明中的多种方案会和镀钌金属薄膜在常压氮气(N2)中产生的太赫兹辐射场强进行对比，最终得出最优方案，提供一种具有系统构成简单、购买和维护成本较低和稳定性较高的能增强太赫兹波信号强度的系统以及方法。
【附图说明】
[0015]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。
[0016]图1为本发明的实验装置示意图；
[0017]图2a为电子显微镜下亚波长阵列孔结构氧化物模板上表面示意图；
[0018]图2b为电子显微镜下亚波长阵列孔结构氧化物模板截面示意图；
[0019]图3a为镀钌(Ru)金属薄膜分别在充满He，Ne，N2，Ar气体中，随着气体压强增大，太赫兹福射强度变化的不意图；
[0020]图3b为镀铂(Pt)金属薄膜分别在充满He，Ne，N2，Ar气体中，随着气体压强增大，太赫兹福射强度变化的不意图；
[0021 ]图3c为镀金(Au)金属薄膜分别在充满He，Ne，N2，Ar气体中，随着气体压强增大，太赫兹辐射强度变化的示意图。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]本发明中制备亚波长阵列孔结构氧化物模板，具体方法为:
[0024]S1、把纯度为99.99 %的金属片按照实际需要裁成一定尺寸的基片，经过丙酮超声清洗去除表面的油污，然后用去离子水冲洗干净;再经过无水乙醇的清洗烘干后放在真空度为2 X 10—4Pa真空退火设备中持续退火5.5小时，最后自然冷却；
[0025]S2、在体积比为1:4的高氯酸和无水乙醇的混合溶液中，控制温度保持在0°C，电压为18V，电流为2mA的条件下，对所述金属片进行抛光3分钟，以去除金属片表面的划痕和氧化层；
[0026]S3、将金属片作为阳极，铂金片作为阴极。在0.3g/mol草酸溶液中进行一次通电氧化，氧化环境温度为0°C，恒定电压45V，氧化时间为6.2小时，得到基底；
[0027]S4、在环境温度为18°C条件下，将所述基底放在由400ml的纯净水、22.5ml的磷酸和6g三氧化铬配置而成的铬酸溶液中反应13小时，去除在金属片表面生成的一次氧化物；将去除一次氧化物后的基底放在所述铬酸溶液中进行二次通电氧化，氧化时间为15分钟，反应后去除氧化物时间为2小时，然后再将基底放入0.3g/mol草酸溶液中，反应时间为5分钟；
[0028]S5、将由S4处理后的60μπι厚基片上制备孔径为200nm、孔间距390nm以及孔深为10-25μπι的亚波长孔阵列，得到亚波长阵列孔结构氧化物模板见图2a和图2b;利用磁控溅射的方法将贵金属镀在亚波长阵列孔结构氧化物模板上，制备成表面具有1nm量级粗糙度，厚度为200nm的金薄膜的亚波长孔阵列结构氧化物模板；
[0029]所述金属片的材料为铝、锌、铅、钛的单质或者铝、锌、铅、钛的氧化物;所述贵金属为舒、铀、金、钛、或银钯。
[0030]本发明提供一种增强太赫兹波信号强度的系统和方法，包括以下步骤:
[0031]工作原理:经过图1所示的光路图，其中本实施例中使用的激光器为美国Spectra-Physics公司生产的飞秒激光振荡器Mai Tai。它可产生的激光脉冲的重复频率80MHz，脉宽为10fs，中心波长800nm，最高输出功率3W，通过频率为15Hz的斩波器进行斩波后，再经过衰减片将其功率控制在500mW左右，最后由焦距为150mm透镜聚焦在200nm厚金属薄膜上，获得太赫兹辐射源。其中金属薄膜放在气室内，气室内气体种类和压强均可调节。从氧化物模板出射的太赫兹辐射源，投射到硅片上，并用高莱探测器接收。
[0032]实验例:
[0033](I)将镀钌(Ru)金属薄膜分别放在充满He，Ne，N2，Ar的气室中，通过调节气室的进气排气 P，改变气体的压强至3，10，30，50，80，100，200，300，400，500,1000,3000，5000，7000，10000，12000，14000，16000，18000，20000，30000，60000，80000，100000，105000，110000，115000，120000，125000，130000，135000，140000，145000，150000pa，并通过高莱探测器对太赫兹波能量进行检测。取各个压强下的能量平均值做点绘制在图3a上，将作出的图像进行归一化处理，取钌(Ru)金属薄膜在常压氮气(N2)中辐射的信号强度为I，之后的多种方案将会和这一值进行对比，即和压强在10000pa时，N2中的数据平均值进行对比，具体见图3a所示。
[0034](2)将镀铂(Pt)金属薄膜分别放在充满He，Ne，N2，Ar的气室中，通过调节气室的进气排气 P，改变气体的压强至3，10，30，50，80，100，200，300，400，500,1000,3000，5000，7000，10000，12000，14000，16000，18000，20000，30000，60000，80000，100000，105000，110000，115000，120000，125000，130000，135000，140000，145000，1500