一种太赫兹极化器及其制备方法

本发明属于太赫兹波控制技术领域，特别是涉及一种太赫兹极化器及其制备方法。

背景技术：

太赫兹波在电磁波谱中位于微波到红外的过渡位置，频率范围覆盖了0.1thz到10thz，与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有非常重要的特征，显示了巨大的应用潜力。太赫兹辐射频率范围涵盖了生物大分子的振动和旋转频率，可以利用特征频率来分析和识别许多材料的结构和物理特性，因此，太赫兹成像和太赫兹光谱已成为太赫兹应用的两项关键技术。在涉及太赫兹频段电磁传播的应用中，分析和控制波的极化是关键。传统的太赫兹极化器是通过缠绕金属丝制成的，主要用于毫米波和远红外区域，但是传统的太赫兹极化器的制造工艺复杂，且极化周期不均匀、消光比较低。

透明导电膜(transparentconductivefilm，简称tcf)，又称透明电极，因其导电性和光学透明性，可用于光电和电致发光器件，其中部分透明导电膜具有良好的化学稳定性、热稳定性以及良好的图形加工特性，十分适合应用于太赫兹波控制技术领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太赫兹极化器及其制备方法，解决了现有的太赫兹极化器制备工艺复杂、应用范围窄和性能差等问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种太赫兹极化器，其包括：

基板；

透明导电膜谐振层，其设置在所述基板上，所述透明导电膜谐振层为呈周期性分布的线栅结构，且相邻所述线栅之间相互绝缘。

在本发明的一个实施例中，所述基板的透过率为0.5-0.95。

在本发明的一个实施例中，所述基板的厚度为50um-1100um。

在本发明的一个实施例中，所述基板包括聚酰亚胺、石英、玻璃树脂、蓝宝石、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、玻璃、硅片和碳化硅中的一种。

在本发明的一个实施例中，所述透明导电膜谐振层的厚度为0.2um-5um。

在本发明的一个实施例中，所述线栅的宽度为5um-60um。

在本发明的一个实施例中，相邻所述线栅的间距为10um-80um。

本发明还提供一种太赫兹极化器的制备方法，其特征在于，其至少包括以下步骤：

提供一带有透明导电膜的基板；

在所述透明导电膜上进行图案化处理获得具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层，即获得所述太赫兹极化器。

在本发明的一个实施例中，所述图案化处理包括有掩膜光刻、无掩膜光刻或激光烧蚀中的一种。

在本发明的一个实施例中，所述透明导电膜谐振层的厚度为0.2um-5um。

本发明的太赫兹极化器结构简单，简化了传统太赫兹极化器的制备工艺，同时降低了生产难度，本发明的极化器基板材料可以灵活选择，适用范围更广，当极化器的基板材料为透明材料时，该极化器整体光学透明，即透可见光，可应用于太赫兹与可见激光的混合系统，以实现优化系统光学路径、提高系统性能的目的。透明导电膜比传统的铝或铜更稳定，不会因氧化而导致器件性能退化，提高了太赫兹系统的稳定性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的太赫兹极化器的结构示意图；

图2为图1中极化器单元的结构示意图；

图3为图1中极化器单元结构的俯视图；

图4为图1中极化器单元结构的左视图；

图5为本发明太赫兹极化器的制备方法流程图；

图6为以pi作为基板的太赫兹极化器透射谱图；

图7为以树脂玻璃作为基板的太赫兹极化器透射谱图；

图8为以pe作为基板的太赫兹极化器透射谱图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种太赫兹极化器1，其包括：基板3和透明导电膜谐振层4，本发明所采用的基板3透过率例如为0.5-0.95，所选用的材料例如可为聚酰亚胺(pi)、石英、玻璃树脂、蓝宝石、聚乙烯(pe)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、玻璃、硅片和碳化硅中的一种，基板3的厚度例如可以为50um-1100um。。

设置在基板3上的透明导电膜谐振层4为呈周期性分布的线栅结构，且相邻所述线栅之间相互绝缘。透明导电膜谐振层4的厚度为0.2um-5um，线栅5的宽度为5um-60um，相邻线栅5的间距为10um-80um。

请一并参阅图1至图8所示，本发明还提供一种太赫兹极化器1的制备方法，其至少包括以下步骤：

在步骤1至步骤2中，首先选择一带有透明导电膜的基板3，其中基板3可以选用聚酰亚胺、石英、玻璃树脂、蓝宝石、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、玻璃、硅片和碳化硅中的一种，基板3厚度例如为50um-1100um，其中透明导电膜例如可以选用氧化铟锡膜(ito膜)、掺氟氧化锡(fto膜)、铝掺杂的氧化锌(azo膜)，透明导电膜厚度例如可以为0.2um-5um。在透明导电膜上进行图案化处理，获得具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得本发明的太赫兹极化器1。

具体的，在步骤s1中，首先对基板3进行清洗，本实施例中例如采用脱膜清洗设备和超声设备对基板3进行清洗，清洗过程为采用丙酮、乙醇、去离子水多次超声清洗带有透明导电膜的基板3，每次超声时间例如为10-15分钟，例如使用压缩空气或氮气去除基板3上的水分并烘干备用。

在步骤s2中，在透明导电膜上进行图案化处理，获得具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得本发明的太赫兹极化器1。具体的，本实施例中采用的图案化处理可以包括有掩膜光刻、无掩膜光刻或激光烧蚀中的一种，本实施中例如采用有掩膜光刻对透明导电膜上进行图案化处理，具体的例如采用旋涂仪将光刻胶旋涂在洁净的带有透明导电膜的基板3上，保证所制成的光刻胶膜平整无气泡，此时的光刻胶可以采用正性光刻胶，也可以采用负性光刻胶，此处旋涂过程采用的转速例如为2000-4000转，具体数值需要根据光刻胶的型号以及所需的涂覆厚度进行测试优化。将涂覆有光刻胶的基板3，在例如100℃热台上加热例如10-15分钟，干燥除去光刻胶的挥发性部分，以在基板3上形成固化的光刻胶膜。采用预设的掩膜版覆盖在涂覆有光刻胶的基板3上，光刻蚀过程例如可以利用光刻机实现，采用的工作波长例如可以为350-450nm，图形分辨率例如为0.8um，紫外光透过掩膜版中的非图案区域照射在置于掩膜版正下方的基板3上，暴露在紫外线中的光刻胶区域发生降解反应或交联反应，然后用对应显影液冲洗掉曝光或未曝光的光刻胶区域，形成图案化的空白间隙，同时也形成多条线栅5，最后将图案化后的基板3浸泡于去离子水中，洗去残余的显影液，烘干固膜，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

在步骤s2中，在其他实施例中，也可以在不加掩膜版的情况下采用dmd式无掩膜光刻机对涂覆有光刻胶的基板3进行光刻蚀，即无掩膜光刻。与有掩膜光刻不同，dmd式无掩膜光刻机无需制造掩膜，采用dmd数字掩膜,可在抗蚀剂内曝光所希望的任意图案。无掩膜光刻机可以读取任何cad数据，除此之外dmd式无掩膜光刻机还可以读取bitmap、png、dxf、gdsⅱ等其它格式。dmd式无掩膜光刻机例如采用365nmled光源，降低价格的同时也可以实现稳定的曝光。例如采用10倍的物镜，一次曝光面积可达例如1mm×0.6mm，曝光时间仅需例如1s。结合电动移动平台，可实现曝光拼接，分辨率可达到例如3μm。根据绘制的数据文件，自动选择需要曝光的区域，暴露在紫外线中的光刻胶区域发生降解反应/交联反应，然后用对应显影液冲洗掉曝光/未曝光的光刻胶区域，形成图案化的空白间隙，同时也形成多条线栅5，最后浸泡于去离子水中，洗去残余的显影液，烘干坚膜，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

在步骤s2中，当采用有掩模光刻和无掩模光刻对透明导电膜进行图案化处理后，还需要在相邻线栅5的间隙处进行刻蚀，此时可采用干法刻蚀获湿法刻蚀中的一种，本实施例中例如采用干法刻蚀中的等离子体刻蚀，具体的例如可以采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀机(oxfordplasmalabsystem100icp180)对透明导电膜进行干法刻蚀。通过电感耦合等离子体辉光放电分解反应气体(hbr)，对样品表面进行物理轰击以及化学反应生成挥发性气体，达到刻蚀目的。在几百瓦的刻蚀功率下，刻蚀速度可达100-150nm/min。通过感应耦合等离子体刻蚀技术去除光刻胶空白间隙中的透明导电膜层，使相邻线栅5之间相互绝缘，最后使用溶剂例如丙酮去除残余的光刻胶，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

在步骤s2中，在其他实施例中，在相邻线栅5的间隙处进行刻蚀，也可以采用湿法刻蚀，湿法刻蚀需要现配相应的刻蚀液，例如采用稀盐酸加上催化剂配置成刻蚀液，刻蚀完成后用丙酮去除残余的光刻胶，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

在步骤s2中，在其他实施例中，在透明导电膜上进行图案化处理，还可以通过激光烧蚀实现，例如可以通过激光直接刻蚀透明导电膜以制备本发明的极化器，具体的可以采用导电玻璃激光刻蚀机对带有透明导电膜的基板3进行刻蚀，导电玻璃激光刻蚀机适用于对聚对苯二甲酸类塑料基板3或玻璃基板3上的导电材料进行高速激光刻蚀、剥离、划线。适用于氧化铟锡(ito)，银浆(ag)、碳纳米管(cnt)、石墨烯、纳米银、钼铝钼、铜、高分子导电膜、氧化锌、perc、钙钛矿电池、fto、tco、碳粉等涂层材料的超细线宽激光蚀刻。因此，本发明当采用聚对苯二甲酸类塑料或玻璃作为基板3时，可以通过导电玻璃激光刻蚀机通过一次刻蚀获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

请一并参阅图1至图8所示，本发明的制备太赫兹极化器1的方法，具体体现在以下实施例中：

实施例1

以polyimide(pi)作为基板3：

请一并参阅图1至图8所示，首先，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗带有透明导电膜的pi基板3，基板3厚度例如为400um，透明导电膜的厚度例如为2um，每次超声10分钟，用氮气去除水分并烘干。然后，利用旋涂仪(besttoolssmartcoater100)将正性光刻胶旋涂在干净的基板3上，保证所成的光刻胶膜平整无气泡，旋涂采用的转速例如为2000转。旋涂好后，在例如100℃热台(besttoolshotplate100)上加热10分钟，干燥除去光刻胶的挥发性部分，以固化光刻胶膜。将线宽例如为10um，线间距例如为20um的掩膜版覆盖在涂覆有光刻胶的基板3上，利用sussmicrotecma6/ba6光刻机进行光刻蚀，其工作波长例如为350nm，图形分辨率例如为0.8um，紫外光透过掩膜版中的非图案区域照射在置于掩膜版正下方的基板3上，暴露在紫外线中的光刻胶区域发生降解反应，然后用对应显影液冲洗掉曝光的光刻胶区域，形成图案化的空白间隙，同时也形成多条线栅5，其中线栅5宽度例如为10um，线栅5间距例如为20um，最后浸泡于去离子水中，洗去残余的显影液，烘干坚膜。

请一并参阅图1至图8所示，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀机(oxfordplasmalabsystem100icp180)对于透明导电膜进行干法刻蚀，去除光刻胶空白间隙中的透明导电膜层，使相邻线栅5之间相互绝缘，刻蚀速度例如为100nm/min。刻蚀完成后，最后用丙酮去除残余的光刻胶，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

其中图6为本实施例方法获得的太赫兹极化器1在工作波段内的频谱图，其中曲线a1代表的是tm极化方式下的太赫兹波透过率，曲线b1代表te极化方式下的太赫兹波透过率。尽管随着频率的增加，太赫兹极化器1性能会有所降低，但当入射到太赫兹极化器1上的太赫兹波极化方向与线栅结构垂直时，其透射系数例如在0.1到2.8t范围内保持在例如0.8以上，而入射电场方向与线栅结构平行时，其透射系数例如在0.1到2.8t范围内被抑制在例如0.4以下，这表明在宽的频段范围内，本实施例所设计的太赫兹极化器1具有较好的极化选择性能。

实施例2

采用树脂玻璃作为基板3：

请一并参阅图1至图8所示，首先，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗带有透明导电膜的树脂玻璃基板3，基板3厚度例如为455um，透明导电膜的厚度例如为2um，每次超声15分钟，用氮气去除水分并烘干。然后，利用旋涂仪(besttoolssmartcoater100)将正性光刻胶旋涂在干净的基板3上，保证所成的光刻胶膜平整无气泡，旋涂采用的转速例如为4000转。旋涂好后，在例如100℃热台(besttoolshotplate100)上加热15分钟，干燥除去光刻胶的挥发性部分，以固化光刻胶膜。采用dmd式无掩膜光刻机对涂覆有光刻胶的基板3进行光刻蚀，dmd式无掩膜光刻机例如采用365nmled光源，采用例如10倍的物镜，一次曝光面积可达例如1mm×0.6mm，曝光时间仅需例如1s，结合电动移动平台，可实现曝光拼接，分辨率可达到例如3μm。根据绘制的数据文件，例如根据线宽为14um，线间距为22um，自动选择需要曝光的区域，暴露在紫外线中的光刻胶区域发生降解反应，然后用对应显影液冲洗掉曝光/未曝光的光刻胶区域，形成图案化的空白间隙，同时也形成多条线栅5，其中线栅5宽度例如为14um，线栅5间距例如为22um，最后浸泡于去离子水中，洗去残余的显影液，烘干坚膜。

请一并参阅图1至图8所示，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀机(oxfordplasmalabsystem100icp180)对于透明导电膜进行干法刻蚀，去除光刻胶空白间隙中的透明导电膜层，使相邻线栅5之间相互绝缘，刻蚀速度例如为150nm/min。刻蚀完成后，最后用丙酮去除残余的光刻胶，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

其中图7为本实施例方法获得的太赫兹极化器1在工作波段内的频谱图，其中曲线a2代表的是tm极化方式下的太赫兹波透过率，曲线b2代表te极化方式下的太赫兹波透过率。尽管随着频率的增加，太赫兹极化器1性能会有所降低，但当入射到太赫兹极化器1上的太赫兹波极化方向与线栅结构垂直时，其透射系数在0.1到2.8t范围内保持在0.85以上，而入射电场方向与线栅结构平行时，其透射系数在0.1到2.8t范围内被抑制在0.35以下，有较好的极化选择性能。

实施例3

采用pe作为基板3：

请一并参阅图1至图8所示，首先，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗带有透明导电膜的pe基板3，基板3厚度例如为300um，透明导电膜的厚度例如为2um，每次超声15分钟，用氮气去除水分并烘干。然后，利用旋涂仪(besttoolssmartcoater100)将正性光刻胶旋涂在干净的基板3上，保证所成的光刻胶膜平整无气泡，旋涂采用的转速例如为4000转。旋涂好后，在例如100℃热台(besttoolshotplate100)上加热15分钟，干燥除去光刻胶的挥发性部分，以固化光刻胶膜。采用dmd式无掩膜光刻机对涂覆有光刻胶的基板3进行光刻蚀，dmd式无掩膜光刻机例如采用365nmled光源，采用例如10倍的物镜，一次曝光面积可达例如1mm×0.6mm，曝光时间仅需例如1s，结合电动移动平台，可实现曝光拼接，分辨率可达到例如3μm。根据绘制的数据文件，例如根据线宽为20um，线间距为10um，自动选择需要曝光的区域，暴露在紫外线中的光刻胶区域发生降解反应，然后用对应显影液冲洗掉曝光/未曝光的光刻胶区域，形成图案化的空白间隙，同时也形成多条线栅5，其中线栅5宽度例如为20um，线栅5间距例如为10um，最后浸泡于去离子水中，洗去残余的显影液，烘干坚膜。

请一并参阅图1至图8所示，采用湿法刻蚀，例如采用稀盐酸加上催化剂配置成刻蚀液，去除光刻胶空白间隙中的透明导电膜层，使相邻线栅5之间相互绝缘，最后使用溶剂例如丙酮去除残余的光刻胶，获得包含多条线栅5的具有呈周期性分布线栅结构的透明导电膜谐振层4，从而获得太赫兹极化器1。

其中图8为本实施例方法获得的太赫兹极化器1在工作波段内的频谱图，其中曲线a3代表的是tm极化方式下的太赫兹波透过率，曲线b3代表te极化方式下的太赫兹波透过率。尽管随着频率的增加，太赫兹极化器1性能会有所降低，但当入射到太赫兹极化器1上的太赫兹波极化方向与线栅结构垂直时，其透射系数在0.1到2.8t范围内保持在0.7以上，而入射电场方向与线栅结构平行时，其透射系数在0.1到2.8t范围内被抑制在0.1以下，这表明在宽的频段范围，所设计的太赫兹极化器1均有较好的极化选择性能。

请一并参阅图1至图8所示，在其他实施例中，还可以根据实际应用更换其他基板3的材料，基板3厚度、透明导电膜厚度、线栅5的线宽及线间距也可以根据实际应用进行调整。

请一并参阅图1至图8所示，在其他实施例中，还可以对基板3进行刻孔设置，以削弱太赫兹极化器1在工作波段内的频谱图中的曲线振荡，从而得到更理想的极化选择性能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。