一种热场可调的太赫兹波光学窗口及其制备方法和应用与流程

本发明涉及3d打印及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种热场可调的太赫兹波光学窗口及其制备方法和应用。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1-10thz(1thz＝10¹²hz)的电磁波，其波长范围在3mm-30μm。近些年，随着超快光学的发展，太赫兹技术和应用取得重大的进展。太赫兹波的高透性、瞬态性、低能量、相干性和指纹光谱等特性，使得太赫兹技术在无线通信、生物医学成像、无损检测、物质鉴别以及国防工业等领域有着巨大的应用潜力。太赫兹波光学窗口是指能够对太赫兹波产生光学响应的光电器件，能够调控太赫兹波的传播，是太赫兹技术的关键器件之一。传统的太赫兹波光学窗口一旦成型，其光学特性无法改变。随着应用环境变得复杂，迫切需要一种光学特性可调的太赫兹波光学窗口，能够对外界环境的变化实时响应。

热致变色材料是指在加热或者冷却过程中因相变或者晶型转变等原因而导致光学特性发生变化的材料。在相变的过程中，热致变色材料的介电性质会发生很大变化，因而利用其介电性质的变化可以制备能够对温度实时响应的电磁波功能器件。而此技术得以实现的关键问题在于热致变色材料的选择，以及具有热致变色特性的混合材料的设计(因为只有热致变色组元的材料体系往往不便于成型，形成特定的光学窗口)。此外，该类型的混合材料体系不仅需要有合适的光学特性，还必须具有很少流变特性，润湿性以及加工成型性能，以便于进行三维结构设计以满足各种实际情况下对特定波段的电磁波的响应。

在太赫兹器件的制备方面，相比微波器件，太赫兹器件的尺寸更小，传统的加工方法很难达到精度要求。基于无模直写成型的3d打印技术，可实现特征尺寸为亚微米到数毫米的复杂三维结构的制备，为太赫兹器件的制备加工提供了一种新的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热场可调的太赫兹波光学窗口及其制备方法和应用。将具有热致变色特性的浆料通过3d打印无模直写技术直接制备成型，获得具有三维空间结构的太赫兹波光学窗口。该太赫兹波光学窗口可在热场的调控下实现对不同波长太赫兹波的选择性透过，解决了传统光学窗口无法对外界环境进行实时响应的缺陷，特别地，该太赫兹波光学窗口还可以作为一种热传感器，实现温度变化的预警与感应功能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热场可调的太赫兹波光学窗口的制备方法，其特征在于：该方法将具有热致变色特性的浆料通过3d打印无模直写技术直接制备成型，获得具有三维空间结构的太赫兹波光学窗口。该方法具体包括如下步骤：

(1)浆料配制：将粉末状热致变色材料加入到母体材料中，混合均匀后获得浆料；浆料中热致变色材料的含量为5-95wt.％；所制备的浆料具备剪切变稀的性质，能够满足3d打印无模直写成型技术对于浆料流变学性质的要求。

(2)结构构造：配制好的浆料采用3d打印无模直写成型技术制备成三维周期性结构的光学窗口；

(3)固化成型：将打印好的三维周期性结构的光学窗口进行热固化处理，热固化温度60-100℃，热固化时间2-10小时；热固化处理后即获得所述热场可调的太赫兹波光学窗口。

上述步骤(1)中，所述热致变色材料的变色温度范围在200℃以内。所述热致变色材料优选为vo2、v1-xwxo2、sm3fe5-xalxo12、la1-xsrxmno3、cuhgi4、ag2hgi4、[(ch3)2chnh2]cucl3，其中：x＝0-0.9；或者热致变色材料为其它具有热致变色特性的钨酸盐、钒酸盐或铬酸盐。

上述步骤(1)中，所述母体材料为pdms硅胶、玻璃密封胶或树脂等对太赫兹波吸收小的材料。

上述步骤(1)中，调整浆料中热致变色材料的含量，能够改变太赫兹波光学窗口的透射率。

上述步骤(2)具体过程为：首先用g代码编写三维周期性结构打印程序；然后将浆料装到料筒中；再按照三维结构路径打印成三维光学窗口。编写三维周期性结构时，介质棒间距设定为30-1000μm，层数设定为4层以上；料筒选择直径10-500μm的针头，逐层打印得到预成型的太赫兹波光学窗口。该过程中，通过选取不同直径的针头、设计不同的打印程序和调整打印参数，能够打印不同结构参数的三维光学窗口以适应不同的工作波长。

采用上述方法制备了热场可调的太赫兹波光学窗口，该光学窗口对外界环境温度实时响应，在热场调控下可实现对不同波长的太赫兹波的选择性透过。特别地，该太赫兹波光学窗口还可以作为一种热传感器，实现温度变化的预警与感应功能。

本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明采用热致变色材料并结合3d打印技术，实现了热场可调的太赫兹波光学窗口的精确成型。通过结构参数的灵活设计和打印参数的调整，可实现特定工作波长的太赫兹波光学窗口的制备。

2、本发明制备的太赫兹波光学窗口能够对外界环境温度实时响应，在热场调控下可实现对不同波长的太赫兹波的选择性透过。

附图说明

图1为实施例1制备的热场可调太赫兹波光学窗口；其中：(a)为介质棒直径为210μm、间距为700μm、层数为8层的光学窗口的光学图片；(b)该光学窗口的正面扫描电子显微镜(sem)图片；(c)该光学窗口的横截面扫描电子显微镜(sem)图片。

图2为实施例1制备的介质棒直径为210μm、间距为700μm、层数为8层的热场可调太赫兹波光学窗口在25℃和75℃时的光子带隙图。

图3为实施例2制备的介质棒直径为210μm、间距为600μm、层数为8层的热场可调太赫兹波光学窗口在25℃和75℃时的光子带隙图。

图4为实施例3制备的介质棒直径为210μm、间距为600μm、层数为4层的热场可调太赫兹波光学窗口在25℃和75℃时的光子带隙图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

1.称取二氧化钒粉4g，加入到4g道康宁se1700硅胶中，机械搅拌均匀，得到二氧化钒含量为50wt.％的浆料，并将浆料装入10ml料筒中待打印。

2.编写木堆结构3d打印程序，介质棒间距设定为700μm，层数设定为8层，选择直径210μm的针头，挤出压力设定为60psi，打印速度为10mm/s，逐层打印得到预成型的太赫兹波光学窗口。

3.将预成型的光学窗口进行2小时80℃的热固化处理即得到介质棒直径为210μm，间距为700μm，层数为8层的热场可调的太赫兹波光学窗口。该光学窗口的结构为三维木堆结构，其光学图片和扫描电镜图片如图1。

4.分别在25℃和75℃对该光学窗口进行太赫兹时域光谱测试，经过快速傅立叶变换后得到其光子带隙图，如图2。

在室温25℃时，该光学窗口的带隙位置在0.295thz，带隙深度为-23db，当温度升到75℃时，其带隙位置向低频移动到0.270thz，带隙深度为-27db。

实施例2

1.按实施例1中步骤1配制二氧化钒含量为50wt.％的浆料，并将浆料装入10ml料筒中待打印。

2.编写木堆结构3d打印程序，介质棒间距设定为600μm，层数设定为8层，选择直径210μm的针头，挤出压力设定为60psi，打印速度为10mm/s，逐层打印得到预成型的太赫兹波光学窗口。

3.将预成型的光学窗口进行2小时80℃的热固化处理即得到介质棒直径为210μm，间距为600μm，层数为8层的热场可调的太赫兹波光学窗口。

4.分别在25℃和75℃对该光学窗口进行太赫兹时域光谱测试，经过快速傅立叶变换后得到其光子带隙图，如图3。

在室温25℃时，该光学窗口的带隙位置在0.325thz，带隙深度为-25.0db，当温度升到75℃时，其带隙位置向低频移动到0.300thz，带隙深度为-27.0db。

实施例3

1.按实施例1中步骤1配制二氧化钒含量为50wt.％的浆料，并将浆料装入10ml料筒中待打印。

2.编写木堆结构3d打印程序，介质棒间距设定为600μm，层数设定为4层，选择直径210μm的针头，挤出压力设定为60psi，打印速度为10mm/s，逐层打印得到预成型的太赫兹波光学窗口。

3.将预成型的光学窗口进行2小时80℃的热固化处理即得到介质棒直径为210μm，间距为600μm，层数为4层的热场可调的太赫兹波光学窗口。

4.分别在25℃和75℃对该光学窗口进行太赫兹时域光谱测试，经过快速傅立叶变换后得到其光子带隙图，如图4。

在室温25℃时，该光学窗口的带隙位置在0.325thz，带隙深度为-13.3db，当温度升到75℃时，其带隙位置向低频移动到0.300thz，带隙深度为-15.0db。

上述实例仅作参考，具有和本专利相似或者从本专利思路出发而延伸的通过3d打印制备热场可调的太赫兹波光学窗口的方法，均在本专利的保护范围。