专利名称：太赫兹频段各向异性介质晶体的制备、表征及应用方法
技术领域：
本发明属于电磁介质材料技术领域，特别涉及一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备、表征及应用方法。
背景技术：
太赫兹辐射是指频率在0.1 10 THz (ITHz=IO12 Hz)范围内的电磁辐射，在电磁频谱上，太赫兹辐射处于微波和远红外之间，大致在远红外的低频端。在20世纪80年代之前，由于缺乏高效的THz辐射源和灵敏的探测技术，这一领域的研究几乎没有涉及，因此被称为“THz空白”。随后，研究人员发现，利用低温生长的GaAs晶体可以同时实现太赫兹波的发射和探测，这促进了 THz技术的实用化。目前，太赫兹光谱已经在食品药品检测、危险品检查、材料研究等领域得到广泛应用。其中，材料的太赫兹电磁响应研究是太赫兹光谱技术与应用领域的研究热点之一。材料的THz介电响应行为可以提供关于材料结构对称性、振动模、氢键等方面的大量信息。另一方面，对材料THz性质的掌握可以有效促进新型太赫兹器件的开发，以便有效地调控太赫兹波。其中，具有各向异性的介电响应和光学性质的低对称晶体，在THz器件上具有很大的应用前景，如THz吸 波器、THz偏振器和THz分束器等。因此，研究各向异性介质，主要是低对称晶体的制备方法、THz电磁响应，具有探索物理机制和开发新型器件的双重意义。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备、表征及应用方法。一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备方法，其具体方案如下:配制目标太赫兹频段各向异性介质晶体的饱和溶液，其温度高于室温20 0C 40°C，在溶液中悬挂籽晶并将其放在晶体生长炉内，然后降至室温，降温速率为0.5 °C/h 2°C/h，即可获得目标太赫兹频段各向异性介质晶体；所述晶体具有三斜、单斜、菱方、六方或正交晶体结构；所述晶体的尺寸不小于5 mmX 5 mmX I mm。所述晶体为五水合硫酸铜晶体、硝酸钠晶体、七水合硫酸锌晶体或七水合硫酸镁晶体。一种太赫兹频段各向异性介质晶体的表征方法，其具体方案如下:在X射线单晶定向仪上对太赫兹频段各向异性介质晶体进行定向，然后按所需方向做切割和抛光处理；将抛光后的晶体样品固定到能够在平面内转动任意角度的样品架上，在透射式太赫兹时域光谱上测试其时域光谱，通过快速傅里叶变换(FFT)得到频域光谱；由频域光谱的振幅部分和相位信息求解出晶体在特定方向上的介电参数(包括实部和虚部)和光学常数(折射率、消光系数)；将样品转动一定角度后，再次测试时域谱、做快速傅里叶变换处理，求解电磁参数；由此获得晶体平面内任意方向的介电参数和光学常数。一种太赫兹频段各向异性介质晶体的应用方法，所述晶体用于制备太赫兹器件。所述太赫兹器件为太赫兹吸波器、太赫兹偏振器或太赫兹分束器。本发明的有益效果为:本发明制备和表征方法简单，便于推广，所得到的晶体在THz吸波器、THz偏振器和THz分束器等新型THz器件上具有较大的应用前景。
具体实施例方式本发明提供了一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备、表征及应用方法，下面结合具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例1五水合硫酸铜晶体属于三斜晶系，对称性很低，只有一个反演对称中心，因此具有各向异性的太赫兹光学性质。另外，在五水合硫酸铜晶体中，存在一些低频振动模和配体转动模，将对THz辐射产生谐振色散和吸收，且色散和吸收都存在各向异性，其在THz吸波器和THz偏振器上都有应用前景。其晶体的制备和光学常数测试方法如下:配制温度为50°C 60 °C的硫酸铜饱和溶液50 g 100 g，在溶液中悬挂籽晶后，将溶液放在晶体生长炉中，以I °C/h的速率降至25 °C，获得目标晶体，其尺寸可以达到15 mmXIO mmX8 mm左右。经X射线衍射鉴定，面积较大的表面对应的晶面一般为(110)面，沿着平行于该晶面的方向切割晶体并打磨、抛光，获得尺寸在10 mmX8 mmX 1.5 mm的晶体样品。将样品固定到可转动样品架上，测试太赫兹时域光谱，进行傅里叶变换，获得频域谱，进而求解出介电参数和光学常数。结果表明:在(110)晶面内，晶体在各个方向的介电响应呈现出各向异性的特点，在0.95 THz附近，介电 常数实部存在一个较强的谐振色散，其虚部接近0.9，吸收明显；将样品转动90 0C以后，谐振消失，介电虚部为0.25。因此，五水合硫酸铜晶体在THz吸波器和偏振器上都可以获得运用。实施例2硝酸钠晶体属于菱方晶系，对称性也比较低，光学性质也具有各向异性，在可见光频段就是一种双折射晶体材料。在太赫兹频段，硝酸钠中存在一些低频振动模，主要是晶格振动和配体平动、摆动模，将对THz辐射产生谐振色散和吸收，同时作为一种各向异性介质，这使得其在THz的吸波器、THz偏振器和THz分束器上都有应用前景。其晶体的制备和光学常数测试方法如下:配制温度为60 °C 70 °C的硝酸钠饱和溶液50 g 100 g，在溶液中悬挂籽晶后，将溶液放在晶体生长炉中，以0.5 °C/h的速率降至20 °C，获得目标晶体，其尺寸可以达到10 mmXIO mmX2.5 mm左右。经X射线衍射鉴定，面积较大的表面对应的晶面一般为(104)面，沿着平行于该晶面的方向打磨、抛光晶体，获得尺寸在8 mmX8 mmX1.5mm的晶体样品。将样品固定到可转动样品架上，测试太赫兹时域光谱，进行傅里叶变换，获得频域谱，进而求解出介电参数和光学常数。结果表明:在(104)晶面内，晶体在各个方向的介电响应呈现出各向异性的特点，在0.50 THz附近，介电常数实部存在一个较强的谐振色散，其虚部接近1.0，吸收明显；将样品转动60 °C以后，谐振消失，介电虚部为0.20。因此，硝酸钠晶体在THz吸波器、THz偏振器和THz分束器上都可以获得运用。实施例3
七水合硫酸锌晶体属于正交晶系，对称性较低，因此也具有各向异性的太赫兹光学性质。在该晶体中，处于太赫兹频率范围内的低频晶格振动模和配体转动模将对THz辐射产生各向异性的谐振色散和吸收，因此，该晶体可以在THz吸波器和THz偏振器上进行运用。七水合硫酸锌晶体可以通过饱和溶液降温法制备，合适的初始温度为高于室温30 °C 40 0C,降温速率为0.5 °C/h I °C/h。实施例4七水合硫酸镁晶体属于正交晶系,对称性也较低，因此其太赫兹的介电响应和光学性质也呈现各向异性特点。而且晶体中的低频晶格振动模和配体转动模处在THz频率范围内，将对THz辐射产生各向异性的谐振色散和吸收，因此，该晶体在THz吸波器和THz偏振器方面具有应用前景。七水合硫酸镁晶体采用传统的饱和溶液降温法制备，初始溶液温度一般为50 0C 40 0C ,降温速率为0.5 °C/h I °C/h。
权利要求
1.一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备方法，其特征在于，具体方案如下: 配制目标太赫兹频段各向异性介质晶体的饱和溶液，其温度高于室温20 °C 40 °C，在溶液中悬挂籽晶并将其放在晶体生长炉内，然后降至室温，降温速率为0.5 °C/h 2 0C/h，即可获得目标太赫兹频段各向异性介质晶体； 所述晶体具有三斜、单斜、菱方、六方或正交晶体结构； 所述晶体的尺寸不小于5 mmX 5 mmX I mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述晶体为五水合硫酸铜晶体、硝酸钠晶体、七水合硫酸锌晶体或七水合硫酸镁晶体。
3.一种太赫兹频段各向异性介质晶体的表征方法，其特征在于，具体方案如下: 在X射线单晶定向仪上对太赫兹频段各向异性介质晶体进行定向，然后按所需方向做切割和抛光处理；将抛光后的晶体样品固定到能够在平面内转动任意角度的样品架上，在透射式太赫兹时域光谱上测试其时域光谱，通过快速傅里叶变换得到频域光谱；由频域光谱的振幅部分和相位信息求解出晶体在特定方向上的介电参数和光学常数；将样品转动一定角度后，再次测试时域谱、做快速傅里叶变换处理，求解电磁参数；由此获得晶体平面内任意方向的介电参数和光学常数。
4.一种太赫兹频段各向异性介质晶体的应用方法，其特征在于:所述晶体用于制备太赫兹器件。
5.根据权利 要求4所述的应用方法，其特征在于:所述太赫兹器件为太赫兹吸波器、太赫兹偏振器或太赫兹分束器。
全文摘要
本发明属于电磁介质材料技术领域，特别涉及一种太赫兹频段各向异性介质晶体的制备、表征及应用方法。本发明以饱和溶液降温法制备低对称性的各向异性晶体，并采用太赫兹时域光谱系统和可转动样品台测试其各向异性介电响应和光学参数。本发明利用太赫兹光谱和可转动样品台表征各向异性介质，主要是低对称晶体的各向异性光学性质，为相关太赫兹器件，如太赫兹吸波器、偏振器和分束器的开发奠定基础。本发明制备和表征方法简单，便于推广，所得到的晶体在THz吸波器、THz偏振器和THz分束器等新型THz器件上具有较大的应用前景。
文档编号G01N21/25GK103194788SQ20131013423
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者周济 申请人:清华大学