CN104536075A - 一种太赫兹偏振片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹偏振片及其制作方法，所述太赫兹偏振片包括构成偏振片的基底为多层聚合物薄膜和构成偏振片偏振特性的为三维金属光栅结构；每一层聚合物薄膜上承载一层金属光栅结构。本发明提供的聚合物薄膜衬底的太赫兹偏振片具有偏振消光比高、偏振方向透过率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹光学器件，具体而言是以聚合物薄膜为衬底的太赫兹偏振片。
背景技术
太赫兹器件大多数都是以硬质基底作为衬底，硬质基底如：硅和石英等，这些都是常用的基底材料，当它们应用于太赫兹波段作为器件的基底材料时，均存在各自的缺点：硅材料对太赫兹波的折射率较大，这导致硅/空气表面的反射率非常大，当太赫兹波透过硅片时，其能量损失了一半。石英材料对太赫兹波的吸收系数比较大，大大降低了太赫兹波的透过率。除了选用硬质材料，聚合物薄膜也是研究较为普遍应用于太赫兹波段的基底材料，这是由于聚合物薄膜材料对太赫兹波的折射率比硅小，且其吸收率比石英材料小，具有吸收率低，反射率低，成本低等显著优点。因此以聚合物薄膜为衬底材料的太赫兹器件损耗小，能量利用率高。但是，聚合物薄膜是柔性的，以其为衬底制备太赫兹功能结构时由于其支撑性非常差，将很容易面临折痕、卷曲所导致的结构不均一甚至无法成型等问题。另一方面，目前太赫兹器件的功能结构一般都是二维平面的，这导致其性能十分受限。
本发明在设计上将太赫兹偏振结构设计为三维的金属光栅结构，在器件制备上将薄膜制备到硬质基底上，再进行太赫兹功能结构制备，通过多层累积叠加实现三维的结构分布，然后薄膜从硬质基底上取下来，克服了以上难题，实现了低能量损耗、高消光比的太赫兹偏振片。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有的以硬质基底硅作为衬底的太赫兹偏振片对太赫兹波的反射比较高，石英作为衬底的太赫兹偏振片对太赫兹波吸收率比较高以及器件二维结构功能有限等不足问题，提出一种以多层聚合物薄膜为衬底构建三维空间结构的太赫兹偏振片的实现方法，从而获得了具有对太赫兹波反射率和吸收率都比较低、且消光比高的太赫兹偏振片。
本发明的技术解决方案：一种太赫兹偏振片，包括如下结构：
(1)构成偏振片的基底为多层聚合物薄膜；
(2)构成偏振片偏振特性的为三维金属光栅结构；
每一层聚合物薄膜上承载一层金属光栅结构。
本发明还提供一种太赫兹偏振片的制作方法，包括如下步骤：
(1)将硬质基底表面清洗干净并烘干；
(2)在硬质基底上涂一层聚合物胶，使其固化形成聚合物薄膜衬底；
(3)在聚合物薄膜衬底上镀一层100nm至500nm厚的金属膜；
(4)利用光刻技术对金属膜进行结构化，形成金属光栅；
(5)将金属光栅替换步骤(2)中的硬质基底，重复步骤(2)-(4)，形成以多层聚合物薄膜为基底的三维金属光栅结构；
(6)将带金属光栅结构的聚合物薄膜与硬质基底分离。
上述制备方法中，步骤(1)中所述硬质基底为抛光的硅片或玻璃片。
上述任意制备方法中，步骤(2)中所述聚合物薄膜的厚度为5um-50um。
上述任意制备方法中，步骤(3)所述金属膜的制备方式为蒸发镀膜、磁控溅射镀膜或电镀。
上述任意制备方法中，步骤(4)所述光刻技术的具体步骤包括旋涂光刻胶、曝光、显影、金属腐蚀，最后去胶。
上述任意制备方法中，步骤(5)重复次数大于等于1次。
上述任意技术方案中，聚合物薄膜材料选自聚乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。该聚合物薄膜对太赫兹波具有高透过率。
上述任意技术方案中，金属选自金、银、铝或铜，金属光栅的周期小于20um，占空比不小于1:1，每一层金属光栅是相互平行的。
本发明还提供一种太赫兹偏振片器件，包括薄膜夹具和上述技术方案中任意太赫兹偏振片，所述薄膜夹具材质为金属或硬塑料，形状为环状的方形或圆形夹具，该夹具将带结构的聚合物薄膜夹于中间，形成太赫兹偏振片器件。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)以聚合物薄膜材料作为衬底，对太赫兹波的反射率低，吸收率低，具有低损耗、高消光比和低成本的优点。
(2)以硬质基底作为聚合物薄膜的支撑载体，不仅降低了金属结构的制作难度，而且所制备的太赫兹偏振片结构无缺陷、均一性好。
(3)通过多层累积叠加的方式实现三维结构的太赫兹偏振片，使器件的偏振消光比将远大于常规的二维平面结构器件，为高性能太赫兹成像、雷达、通信与物质检测系统开发奠定了核心的器件基础。
附图说明
图1是本发明提供的太赫兹偏振片的结构图，该图以3层结构为例，其中11为聚合物薄膜衬底，12为金属光栅结构。
图2是本发明提供的太赫兹偏振片，其中21为偏振片夹具，22为夹具所夹持的聚合物薄膜偏振片结构。
图3为太赫兹偏振片在其偏振方向的透过率曲线。
图4为太赫兹偏振片的消光比曲线。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结和具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
(1)选择抛光的硅片作为硬质基底，利用丙酮将其清洗干净，然后烘干待用。
(2)在硅片上旋涂10um厚的聚酰亚胺胶，并在300℃的真空环境下使其固化成膜。
(3)在聚酰亚胺薄膜表面利用磁控溅射镀一层100nm厚的铝膜。
(4)利用光刻工艺将铝膜制备成铝光栅。光刻工艺的具体过程包括：在铝膜表面旋涂0.5um厚的光刻胶，然后利用与铝光栅结构对应的掩膜版进行紫外曝光，利用碱性显影液显影后烘干，再用酸性腐蚀液去铝，最后利用氢氧化钠溶液去掉残留光刻胶，获得所需铝光栅。
(5)将制备好的铝光栅替代步骤(2)中的硅片，然后将步骤(2)-(4)重复2次，获得如附图1所示的三层结构。
(6)将制备有三层铝光栅结构的聚酰亚胺薄膜从硬质硅片上揭下，铝光栅的周期为10um，占空比为2:1。
(7)将揭下的薄膜铺平，并用圆形的不锈钢夹具固定，形成图2所示的太赫兹偏振片器件。
(8)所实施的太赫兹偏振片在其偏振方向的透过率如图3所示，达到75％-99％，其消光比如图4所示，达到106。这一实施例说明本发明获得的太赫兹偏振片损耗小、消光比高，是一款性能优异的太赫兹偏振器件。
实施例2
(1)选择抛光的石英片作为硬质基底，利用丙酮将其清洗干净，然后烘干待用。
(2)在石英片上旋涂30um厚的聚乙烯溶液，并在70℃下使其固化成膜。
(3)在聚乙烯薄膜表面利用蒸发镀膜方法镀一层300nm厚的金膜。
(4)利用光刻工艺将金膜制备成金光栅。光刻工艺的具体步骤与实施例1步骤(4)相同，区别在于所用金属腐蚀液为金腐蚀液。
(5)将制备好的金光栅替代步骤(2)中的石英片，然后将步骤(2)-(4)重复1次，获得二层结构。
(6)将制备有二层金光栅结构的聚乙烯薄膜从硬质石英片上揭下，金光栅的周期为15um，占空比为1:1。
(7)将揭下的薄膜铺平，并用方形环状的不锈钢夹具固定，形成太赫兹偏振片器件。
(8)所实施的太赫兹偏振片在其偏振方向的透过率达到75％-95％，其消光比达到2×105。这一实施例说明本发明获得的太赫兹偏振片损耗小、消光比高，是一款性能优异的太赫兹偏振器件。
实施例3
(1)选择抛光的硅片作为硬质基底，利用丙酮将其清洗干净，然后烘干待用。
(2)在硅片上旋涂5um厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯溶液，并在75℃下使其固化成膜。
(3)在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面利用电镀方法镀一层100nm厚的银膜。
(4)利用光刻工艺将银膜制备成银光栅。光刻工艺的具体步骤与实施例1步骤(4)相同，区别在于所用金属腐蚀液为银腐蚀液。
(5)将制备好的银光栅替代步骤(2)中的硅片，然后将步骤(2)-(4)重复3次，获得四层结构。
(6)将制备有四层银光栅结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜从硬质硅片上揭下，银光栅的周期为4um，占空比为1:1。
(7)将揭下的薄膜铺平，并用圆形环状的不锈钢夹具固定，形成太赫兹偏振片器件。
(8)所实施的太赫兹偏振片在其偏振方向的透过率为35％-85％，其消光比达到1×1010。这一实施例说明本发明获得的太赫兹偏振片损耗小、消光比高，是一款性能优异的太赫兹偏振器件。
Claims (10)
1.一种太赫兹偏振片，其特征在于，包括如下结构：
(1)构成偏振片的基底为多层聚合物薄膜；
(2)构成偏振片偏振特性的为三维金属光栅结构；
每一层聚合物薄膜上承载一层金属光栅结构。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹偏振片，其特征在于，所述聚合物薄膜材料选自聚乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹偏振片，其特征在于，所述金属选自金、银、铝或铜，金属光栅的周期小于20um，占空比不小于1:1，每一层金属光栅是相互平行的。
4.如权利要求1所述太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将硬质基底表面清洗干净并烘干；
(2)在硬质基底上涂一层聚合物胶，使其固化形成聚合物薄膜衬底；
(3)在聚合物薄膜衬底上镀一层100nm至500nm厚的金属膜；
(4)利用光刻技术对金属膜进行结构化，形成金属光栅；
(5)将金属光栅替换步骤(2)中的硬质基底，重复步骤(2)-(4)，形成以多层聚合物薄膜为基底的三维金属光栅结构；
(6)将带金属光栅结构的聚合物薄膜与硬质基底分离。
5.根据权利要求4所述的太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，步骤(1)中所述硬质基底为抛光的硅片或玻璃片。
6.根据权利要求4或5所述的太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，步骤(2)中所述聚合物薄膜的厚度为5um-50um。
7.根据权利要求4或5所述的太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，步骤(3)所述金属膜的制备方式为蒸发镀膜、磁控溅射镀膜或电镀。
8.根据权利要求4或5所述的太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，步骤(4)所述光刻技术的具体步骤包括旋涂光刻胶、曝光、显影、金属腐蚀，最后去胶。
9.根据权利要求4或5所述的太赫兹偏振片的制作方法，其特征在于，步骤(5)重复次数大于等于1次。
10.一种太赫兹偏振片器件，其特征在于，包括薄膜夹具和权利要求1-3中任意一项所述太赫兹偏振片，所述薄膜夹具材质为金属或硬塑料，形状为环状的方形或圆形夹具，该夹具将带结构的聚合物薄膜夹于中间，形成太赫兹偏振片器件。
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- 2015-01-19 CN CN201510025668.6A patent/CN104536075B/zh not_active Expired - Fee Related
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