基于納米復合材料的太赫茲濾波器研究

展 鵬, 蔡 斌, 唐 軍

(1.上海理工大學 光電信息和計算機工程學院,上海 200093; 2.四川大學 物理科學與技術學院,成都 610065)

基于納米復合材料的太赫茲濾波器研究

展 鵬1, 蔡 斌1, 唐 軍2

(1.上海理工大學 光電信息和計算機工程學院,上海 200093; 2.四川大學 物理科學與技術學院,成都 610065)

為了克服高阻硅片過低的太赫茲透過率和激光閾值,通過放電等離子體燒結(SPS)工藝制備了一種新型納米復合材料,可以作為透過太赫茲波、隔離飛秒激光的高效太赫茲濾波器件.器件整體設計原理主要基于瑞利散射,粒徑100 nm左右的納米顆?？梢赃x擇性地使太赫茲波高效透過,透過率最多達90%,遠超高阻硅片50%的透過率,并且可以散射掉大部分波長為800 nm的高能激光.器件由太赫茲頻段吸收率很低的金剛石納米顆粒和真空球磨得到的高阻硅顆粒組成,金剛石的高熔點提高了激光閾值,疏松多孔的結構進一步減少了太赫茲波段菲涅爾反射損失,器件整體性能優異.

金剛石納米顆粒; 太赫茲濾波器; 瑞利散射; 放電等離子體燒結

太赫茲(THz)位于微波和中紅外頻率范圍之間(1 THz=1012Hz),太赫茲輻射的獨特性質使其在生物醫學成像、包裝貨物檢查、遙感和未來通信系統等[1-4]方面具有廣闊的應用前景,目前得到了日新月異的發展.太赫茲信號主要由固定波長的高能激光脈沖激發太赫茲源產生,所以太赫茲信號中總會夾雜激光能量,對樣品的信號探測產生不利的影響.高阻硅材料在太赫茲波段中有良好的透過率,且對激光有比較好的隔離效果,所以目前大多數太赫茲時域檢測系統采用高阻硅片作為選擇性分離激光脈沖與太赫茲信號[5-6].但是高阻硅材料高達3.42的相對折射率會使太赫茲輻射在硅材料表面發生強烈的菲涅爾反射,從而大大影響太赫茲輻射的利用效率以及太赫茲系統的整體性能.另外,由于近紅外區域中的高吸收率,高阻硅可以很容易地被高強度泵浦激光脈沖損壞.對于波長800 nm的脈沖持續時間130 fs的激光器,其閾值大約為0.09×1012W/cm2.對于太赫茲的產生,較短的泵浦脈沖持續時間通常對應于較寬的太赫茲輻射,但也意味著較高的峰值能量.因此,高阻硅的低激光損傷閾值不是用于超帶寬太赫茲輻射生成系統的良好材料.

為了解決上述問題,本研究從瑞利散射理論開始,設計并制造了一種全新的太赫茲濾波器件,可以隔離大功率泵浦激光,使太赫茲高效透過.

1 原 理

根據瑞利散射原理,對于一個納米顆粒均勻分布的復合材料體系,不考慮材料本身的吸收,其透射率可以表示為

式中:I0是入射光強度;l是散射粒子的整體厚度;λ是入射光的波長;n0是基底材料的折射率;np是散射粒子的折射率;φ是散射粒子的體積分數;d是散射粒子的直徑[7-8].由式(1)可知,瑞利散射的強度與波長的4次方成反比,而與體積分數成正比.由于近紅外泵浦激光器的波長比太赫茲輻射的波長小2～3個數量級,所以太赫茲波段的散射系數將比激光的散射系數小108～1012.

當材料整體厚度l為500 μm,納米顆粒體積分數φ為80%,基底空氣折射率n0為1,納米顆粒的折射率np為2.375(金剛石納米顆粒)時,令金剛石納米顆粒的粒徑d為0.1 ～1 μm,入射波長λ在0.8 ～300 μm變化,由式(1)計算的材料[9]透過率如圖1所示.由圖1可以看出,器件在800 nm波長處由于瑞利散射作用激光透過率基本為0,而在太赫茲波段處幾乎可以全部透過.

圖1 不同粒徑和波長的瑞利散射透過圖

2 飛秒激光/太赫茲濾波器件制備

高阻硅(>20 000 Ω)[10-11]和金剛石晶體[12-13]從近紅外(1.2 μm)至微波波段(1 000 μm)的吸收率很低,適用于太赫茲波段的應用.高阻硅的折射率為3.42,菲涅爾反射率約為49%,硅的密度為2.329 g/cm3,熔點為1 414 ℃.金剛石在太赫茲波段折射率為2.375,菲涅爾反射率約為20%,密度為3.51 g/cm3,熔點為3 550 ℃.因為金剛石的熔點非常高,無法進行常規燒結成型,所以選取高阻硅微米顆粒作為粘結劑,在其中起到橋梁的作用,將金剛石納米顆粒粘結起來制備成疏松多孔的新型復合材料[14].在遠低于金剛石熔點的條件下運用放電等離子體燒結(spark plasma sintering,SPS)工藝,保證太赫茲透過的同時,一方面通過金剛石納米顆粒散射高能激光,另一方面又利用高阻硅微米顆粒對高能激光進行吸收,器件設計如圖2所示(見下頁).

制備硅納米顆粒的方法通常包括球磨法[15]、激光燒蝕沉積法[16]和激光誘導化學氣相沉積法[17]等.目前商業化生產的硅納米顆粒在太赫茲波段的吸收特性無法保證,所以本研究采用物理球磨法自制高阻硅顆粒.

首先選取阻值20 000 Ω的高阻硅片置于惰性氣體環境下的手套箱里,在研缽中搗碎,然后在氧化鋯球磨罐中以質量比1∶1∶3的比例加入半徑分別為10,6,2 mm的3種不同尺寸氧化鋯研磨球,將初步搗碎的高阻硅倒入球磨罐中,抽真空,以300～600 r/min變換不同的速度和球磨方向5 h.靜置一段時間后,在球磨罐中倒入丙酮,經過過濾篩網篩掉研磨球后,在大燒杯中進行濃縮蒸發烘干,最終獲得微米量級粒徑的高阻硅顆粒(見圖3).由圖3和圖4可以看出,金剛石納米顆粒大部分粒徑在100 nm左右,高阻硅顆粒因為球磨工藝所限,粒徑大小不均,大部分保持在微米量級.

圖2 器件散射示意圖

SPS工藝燒結原理是高頻脈沖DC電流通過粉末顆粒,在高達1 000 A的電流下,顆粒表面產生放電等離子體,使其活化放熱,使納米顆粒之間可以相互連接起來.相比傳統高溫馬弗爐燒結方式,SPS工藝利用的是物質內部產生的焦耳熱和電場擴散作用,具有熱量分布更均勻,燒結溫度更低,燒結效率更高等優點,對于制備金剛石和高阻硅復合多孔隙材料是一種非常理想的燒結工藝.

圖3 高阻硅微米顆粒

圖4 金剛石納米顆粒

首先稱取0.5 g納米金剛石顆粒和0.05 g左右球磨得到的高阻硅微粉置于瑪瑙研缽中,在充滿惰性氣體手套箱中研磨混合均勻,倒入直徑為15 mm的已經包裹碳紙的壓制模具中,模具接觸面之間涂上氮化硼以方便脫模.調整模具壓棒位置,使壓棒兩端水平,放入SPS系統,使模具位于燒結面中心位置.燒結完成待冷卻后取出樣品,進行打磨,除去表面粘附的石墨,將樣品打磨至500 μm左右,燒結成型,如圖5所示(溫度1 200 ℃,壓強20 MPa,升溫速率200 ℃/min,保溫時間2 min,自然冷卻),燒結樣品的表面/界面的掃描電子顯微鏡的觀測結果如圖6和圖7所示.

通過圖6和圖7可以看出,樣品表面和橫截面有孔隙,樣品致密度不高.針對每個樣品通過排水法測定真實密度,與理論密度進行比對,得出燒結樣品的致密度在73.2%左右.此外,燒結的樣品中依然殘留部分大粒徑顆粒,這些大顆?？赡軐μ掌澆ǖ耐高^產生不利的影響.

圖5 燒結樣品成型圖

圖6 樣品表面

圖7 樣品橫截面

3 飛秒激光/太赫茲濾波器件測試

對于樣品在800 nm波長激光的透過率,實驗所使用的鈦寶石激光器(Mirra 900 @Conherent Inc.)中心波長為800 nm,測試使用激光功率710 mW,脈寬130 fs,重復頻率76 MHz,激光光功率探測器(PM100A and S132C,@Thorlabs,Inc.)用來測量激光在通過樣品之前與之后的光能量[18].測試系統如圖8所示,樣品擺放位置距離激光光功率探測器最短為2 cm,最長為10.5 cm.首先測量飛秒激光出射功率,然后將樣品放置于導軌上的樣品架中,緩慢滑動導軌,使得樣品與激光探測器的距離緩慢增加,每隔2 cm記錄這幾個特征點的光功率,重復3次取平均值.

圖8 激光透過率測試示意圖

經過實際測量,當樣品距離光功率計10 cm時,激光的透過率在0.1%左右.

對于激光閾值的測量,實驗使用的鈦寶石激光器及放大器中心波長為800 nm,測試使用最大光功率8 W,脈寬130 fs,重復頻率1 kHz.激光能量需要先經過聚焦后再打在樣品上進行測試,光斑經過激光光斑測試CCD可以看出(見圖9),其直徑約為718 μm,調節不同光強照射樣品上不同位置1 min,在顯微鏡下面觀察樣品損傷情況.

飛秒激光光功率探測器所測試得到的是激光的平均功率,而峰值功率需要通過激光器相關參數通過以下公式進行轉化:

(2)

式中:PP為峰值功率;P為平均功率;f為重復頻率;s為光斑面積;t為脈沖寬度.由此可以算出該樣品的平均能量密度以及峰值功率.

圖9 激光光斑測試圖

經計算,樣品的激光損傷閾值為3.535 J/cm2,峰值功率4.395×1012W/cm2,遠遠超過高阻硅激光損傷閾值.

太赫茲透過率測試結果如圖10和圖11所示(見下頁).由圖10和圖11可以發現,所設計制備的太赫茲濾波器件在0.1～1 THz的透過率高于高阻硅55%的平均透過率.但是,隨著太赫茲頻率的升高,濾波器的透過率下降較快.透過率下降的原因可以考慮來自以下幾個方面:a.由圖6所示,器件中還殘留部分較大粒徑顆粒,使得器件在太赫茲的高頻波段產生較大的散射;b.在高阻硅的粉碎過程中,隨著粒徑的變小,硅粉的比表面積也將隨之增大,硅粉的表面受空氣氧化形成氧化硅,會影響其在高頻的透過率;c.由于其多孔的結構,很容易吸收空氣中的水分,水分的吸收會影響太赫茲高頻區域的透過率;d.高阻硅的吸收系數隨著頻率的升高而增大[19],這也影響到太赫茲濾波器在高頻區的透過特性.

圖10 太赫茲透過率時域測試結果

圖11 太赫茲濾波器的太赫茲透過率

4 結 論

本文所設計制備的太赫茲濾波器件在0.1～1 THz的透過率高于高阻硅,800 nm激光的透過率僅有0.1%,并且得益于金剛石的激光隔離作用,激光損傷閾值遠遠超過高阻硅.整體上制備的濾波器性能優異,有希望替代高阻硅做太赫茲濾波器件使用[20].但由于空氣體積分數過低,兩側表面菲涅爾反射損失約為20%,器件內部顆粒不均勻性和少數球磨硅顆粒過大等原因,致使整體透過率在太赫茲頻段逐漸下降[21].可以選取性能更加優異的球磨機和研磨工藝,將高阻硅顆粒研磨至更小尺寸,SPS燒結時進一步加快升溫速率可以使器件孔隙更多,進一步降低反射損失,提高透過率.

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(編輯:丁紅藝)

Terahertz Filter Based on Nanocomposites

ZHAN Peng1, CAI Bin1, TANG Jun2

(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

In order to overcome the low terahertz transmittance and laser threshold of the high resistance silicon,a new type of nanocomposite material was designed and fabricated through the spark plasma sintering (SPS) technology,which can be used as an efficient terahertz filter device for terahertz waves and isolated femtosecond lasers.The overall design principle of the device is mainly based on the Rayleigh scattering.Nanoparticles with a particle size of about 100 nm can selectively pass the terahertz wave efficiently and scatter most of the 800 nm high-energy laser.The device consists of diamond nanoparticles and high-resistance silicon particles obtained by the vacuum ball milling.The high melting point of the diamond increases the laser threshold and the porous structure can further reduce the Fresnel reflection loss and enhance the terahertz transmittance by up to 90%.

diamondnanoparticle;terahertzfilter;Rayleighscattering;sparkplasmasintering

1007-6735(2017)02-0154-05

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.010

2017-02-21

國家自然科學基金資助項目(61377111)

展鵬(1991-),男,碩士研究生.研究方向:光學工程.E-mail:zhanp911@163.com

蔡斌(1973-),男,教授.研究方向:有機光電子材料.E-mail:bullcai@foxmail.com

TN 213

A