一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法

1.本发明属于太赫兹波技术领域，具体涉及一种应用于太赫兹波段的超薄柔性低反射石墨烯偏转型波带片的制备方法。


背景技术：

2.近年来，太赫兹技术已经成功应用于安检成像、安全监测、生物理疗探测、无损检测与高频通信等多个领域。随着太赫兹技术在这些领域，尤其是在太赫兹成像与通信领域中的高速发展，太赫兹波束偏转与聚焦器件的需求越来越大。太赫兹波束偏转与聚焦器件是太赫兹成像与通信系统中实现波束整形偏转等功能的重要组成部分，传统的太赫兹成像与通信系统中通常使用透镜、离轴抛物面镜实现波束偏转与聚焦，但是受厚度与硬度限制，无法满足目前对太赫兹系统集成化、小型化的要求。
3.波带片是一种常见的实现偏转与聚焦功能的光学器件，常被应用于空间光学、图像识别和光通信等多个领域，近年来很多研究将波带片应用于微波、毫米波与太赫兹波段。相较于透镜，波带片的厚度有所降低，更适合于集成化系统。但现有的波带片一般为聚焦型的波带片，无法实现偏转功能，且波带片图案部分对入射波高反射。较强的反射波反射回发射源会对系统造成影响。而且，现有波带片常采用硬质基底，不适配多种应用场景。日本科研团队在2020年提出结合超表面的金属菲涅尔波带片(文献han,zl.terahertz fresnel-zone-plate film lens based on double-layer metamaterial phase shifter)，实现了波束聚焦的功能，厚度在80μm，且为硬质基底。不仅厚度较大不适合集成，而且不易弯折，金属材料对太赫兹波也为完全反射作用，性能方面也未加改良，仅实现聚焦效果，并未有偏转效果。2020年北京理工大学胡滨研究员提出使用聚酰亚胺诱导石墨烯(文献wang zy.patterned laser-induced graphene for terahertz wave modulation)，厚度同样在80μm左右，聚酰亚胺诱导石墨烯对入射的波束完全反射，而且通常需要在硅、石英等衬底材料上制作与加工。结合已有太赫兹波带片存在的反射高、厚度大、制作成本高、基于硬质基底不利于集成等问题，一种用于太赫兹波段的超薄柔性低反射无衬底波带片亟待研发。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对背景技术存在的现有波带片反射高、厚度大、制作成本高、基于硬质基底不利于集成等问题，提出了一种低反射、厚度小、无衬底、柔性偏转型的太赫兹波带片的制备方法。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1、制备氧化石墨烯薄膜；
8.步骤2、设计正方形的类菲涅尔环结构；
9.2.1假设太赫兹波带片的工作频率为f，偏转角度为θ，焦距为l，入射太赫兹波的截
面半径为r；
10.2.2确定正方形的类菲涅尔环结构的边长d：
[0011][0012]
2.3设计n个圆心在一条直线上的偏心圆，由内向外依次记为第1,2,
…
,n,
…
,n个偏心圆，假设第n个偏心圆的坐标为其中，其中，为相邻两个偏心圆的相位差，通常为π，c为光速；假设第n个偏心圆的半径为
[0013]
2.4对于步骤2.3得到的n个圆心在一条直线上的偏心圆，以由内向外奇数位置上的偏心圆作为环带的内侧、偶数位置上的偏心圆作为环带的外侧，得到环带结构；采用边长为d的正方形对环带结构进行截取，得到正方形的类菲涅尔环结构，其中，正方形的类菲涅尔环结构的中心与第1个偏心圆的圆心之间的距离为正方形的类菲涅尔环结构的一条边与n个偏心圆的圆心所在直线平行；
[0014]
步骤3、采用激光直写技术对步骤1得到的氧化石墨烯薄膜还原，得到形状为步骤2类菲涅尔环结构的还原氧化石墨烯，即可完成所述太赫兹波带片的制备。
[0015]
进一步的，步骤1制备氧化石墨烯薄膜可以采用改进的hummer法、tang-lau法等，制备得到的氧化石墨烯薄膜厚度为14-20μm。
[0016]
进一步的，步骤3所述激光直写过程中，采用波长为350nm的co2激光器，扫描速度为700mm/s-800mm/s，电流为1a，扫描频率为30khz-35khz，脉冲宽度为15μs-20μs。
[0017]
本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，得到的太赫兹波带片为氧化石墨烯和还原氧化石墨烯交替形成的结构，氧化石墨烯(go)与还原氧化石墨烯(rgo)的厚度相近。入射的太赫兹波束到达波带片时，作用在氧化石墨烯图案部分的波几乎全透过，而作用在还原氧化石墨烯图案部分的波则被大量吸收。这样，无论是因为高透过率还是强吸收率，整个波带片的反射率都会非常低。从氧化石墨烯图案部分穿过的太赫兹波因为会发生衍射，从而改变波束的传播方向，进而实现太赫兹波的聚焦和偏转功能。同时，这种氧化部分和还原部分交替结构也保证了该器件在超薄的情况下获得很好的自支撑能力，摆脱了传统波带片需要硬质支撑材料的局限。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0019]
1、本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，采用激光直写技术在氧化石墨烯上形成类菲涅尔环的还原氧化石墨烯，得到的太赫兹波带片厚度仅为14-20μm，利于太赫兹通信与成像系统的集成；其反射率低至10％，具有较小的回波损耗，可有效提升应用的太赫兹系统的稳定性；无需硬质衬底，为柔性太赫兹波带片的研究与发
展提供了有利的支撑。
[0020]
2、本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，通过设计正方形的类菲涅尔环结构的还原氧化石墨烯，利用还原氧化石墨烯和石墨烯之间的透射率差异，实现了对太赫兹波束传播方向的偏转效果。
[0021]
3、本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，采用激光直写技术直接将氧化石墨烯薄膜还原为还原氧化石墨烯，激光还原氧化石墨烯对太赫兹波有较好的吸收屏蔽作用，且该过程无需掩膜版，制备工艺简单，加工时间短，适合大面积高通量器件量化加工生产。
附图说明
[0022]
图1为本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的结构示意图；
[0023]
图2为实施例2得到的偏转12度的波带片的设计图案(左上)和样品实物图(左下)，以及实施例1得到的偏转7度的波带片的设计图案(右上)和样品实物图(右下)；
[0024]
图3为实施例1得到的偏转7度的波带片、实施例2得到的偏转12度的波带片和传统pcb波带片反射率的对比曲线；
[0025]
图4为实施例1氧化石墨烯薄膜水平方向太赫兹波电场强度分布图；
[0026]
图5为实施例1得到的偏转7度的波带片的电场强度分布图；
[0027]
图6为实施例2得到的偏转12度的波带片水平方向电场强度分布图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0029]
实施例1
[0030]
一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，具体包括以下步骤：
[0031]
步骤1、制备氧化石墨烯薄膜：采用改进的hummer法制备厚度为20μm的氧化石墨烯薄膜；
[0032]
步骤2、设计正方形的类菲涅尔环结构；
[0033]
2.1假设太赫兹波带片的工作频率为f＝0.34thz，偏转角度为θ＝7
°
，焦距为l＝50mm，入射太赫兹波的截面半径为r＝7mm，正方形的类菲涅尔环结构的边长d＝20mm；
[0034]
2.2设计7个圆心在一条直线上的偏心圆，由内向外依次记为第1,2,
…
,7个偏心圆，7个偏心圆的圆心坐标和半径如下表所示：
[0035][0036]
[0037]
2.3对于步骤2.2得到的7个圆心在一条直线上的偏心圆，以由内向外奇数位置上的偏心圆作为环带的内侧、偶数位置上的偏心圆作为环带的外侧，得到环带结构；采用边长d＝20mm的正方形对环带结构进行截取，得到正方形的类菲涅尔环结构，其中，正方形的类菲涅尔环结构的中心与第1个偏心圆的圆心之间的距离为6.19mm，正方形的类菲涅尔环结构的一条边与7个偏心圆的圆心所在直线平行；
[0038]
步骤3、采用激光直写技术对步骤1得到的氧化石墨烯薄膜还原，得到形状为步骤2类菲涅尔环结构的还原氧化石墨烯，即可完成所述太赫兹波带片的制备。所述激光直写过程中，采用波长为350nm的co2激光器，扫描速度为750mm/s，电流为1a，扫描频率为30khz，脉冲宽度为20μs。
[0039]
图1为本发明提供的一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的结构示意图；由图1可知，本发明得到的太赫兹波带片为氧化石墨烯和还原氧化石墨烯交替形成的结构，还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的厚度相近。入射的太赫兹波束穿过波带片，还原氧化石墨烯图案部分会屏蔽入射波束，氧化石墨烯图案部分会发生衍射，从而改变波束的传播方向，进而实现太赫兹波的聚焦和偏转功能。
[0040]
实施例2
[0041]
一种低反射的石墨烯偏转型太赫兹波带片的制备方法，具体包括以下步骤：
[0042]
步骤1、制备氧化石墨烯薄膜：采用改进的hummer法制备厚度为20μm的氧化石墨烯薄膜；
[0043]
步骤2、设计正方形的类菲涅尔环结构；
[0044]
2.1假设太赫兹波带片的工作频率为f＝0.34thz，偏转角度为θ＝12
°
，焦距为l＝50mm，入射太赫兹波的截面半径为r＝7mm，正方形的类菲涅尔环结构的边长d＝20mm；
[0045]
2.2设计10个圆心在一条直线上的偏心圆，由内向外依次记为第1,2,
…
,10个偏心圆，10个偏心圆的圆心坐标和半径如下表所示：
[0046][0047][0048]
2.3对于步骤2.2得到的10个圆心在一条直线上的偏心圆，以由内向外奇数位置上的偏心圆作为环带的内侧、偶数位置上的偏心圆作为环带的外侧，得到环带结构；采用边长d＝20mm的正方形对环带结构进行截取，得到正方形的类菲涅尔环结构，其中，正方形的类
菲涅尔环结构的中心与第1个偏心圆的圆心之间的距离为6.88mm，正方形的类菲涅尔环结构的一条边与7个偏心圆的圆心所在直线平行；
[0049]
步骤3、采用激光直写技术对步骤1得到的氧化石墨烯薄膜还原，得到形状为类菲涅尔环结构的还原氧化石墨烯，即可完成所述太赫兹波带片的制备。所述激光直写过程中，采用波长为350nm的co2激光器，扫描速度为750mm/s，电流为1a，扫描频率为30khz，脉冲宽度为20μs。
[0050]
图3为实施例1得到的偏转7度的波带片、实施例2得到的偏转12度的波带片和传统pcb波带片(与实施例1的图案相同的传统pcb覆铜板)反射率的对比曲线；采用太赫兹时域光谱仪分别检测实施例1得到的波带片、实施例2得到的波带片以及传统pcb波带片(与实施例1的图案相同的传统pcb覆铜板)，结果如图3所示。由图3可知，本发明实施例1和实施例2得到的太赫兹波带片的反射率仅为10％左右，是表面覆铜的传统pcb波带片反射率的五分之一。
[0051]
采用基于0.34thz太赫兹发射源的太赫兹成像系统对实施例1的氧化石墨烯薄膜、实施例1得到的波带片和实施例2得到的波带片进行测试，通过步长为1mm扫描图像，得到电场强度分布图，如图4～6，白色区域为场强较强部分，黑色区域为场强较弱部分。由图4～6可知，实施例1得到的偏转7度的太赫兹波带片，扫描图像的光束中心偏移5mm左侧，偏转角为5.7
°
(θ＝arctan(偏移/焦距)＝5.7
°
)；实施例2得到的偏转12度的波带片扫描图像的光束中心向左移动9mm，偏转角度10.2
°
。实验数据与仿真数据基本吻合，符合计算偏转角度的要求。