CN114740615B - 一种可调太赫兹衰减器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调太赫兹衰减器及其制备方法，该衰减器包括衬底PI薄层和所述衬底PI薄层上的石墨烯圆盘，所述石墨烯圆盘由数个扇形且每一片扇形均为不同激光功率的激光直写PI膜生成的石墨烯构成，每一片扇形石墨烯均为圆心向外线性改变激光速率生成。该发明主要通过在PI膜上使用不同参数的激光诱导生成数个相同面积的扇形石墨烯，由于不同参数的激光诱导生成的石墨烯结构不同而对太赫兹波有不同的衰减效果，从而实现对太赫兹波的调制。本发明能够对于更宽频率的太赫兹波起调制作用。本发明实际可作为太赫兹赫兹通信、探测和成像大型器件之中的关键元器件，器件材料柔性较好，可以灵活定制，有着巨大的应用潜力。

Description

一种可调太赫兹衰减器及其制备方法

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体的说是涉及由一种激光诱导生成石墨烯构成的太赫兹可调衰减器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)通常是指0.1～10Thz波段的电磁波，其波长在0.03～3mm之间。THz的波长介于亚毫米波和远红外波之间，这样使其成为介于宏观电子学与微观光子学的交叉领域。THz具有很多不同于其他电磁波的优秀性质，比如穿透性强、光子能量低等特性，这些特性使THz技术拥有巨大的应用前景，如无线通信、安全检查、生物医疗、电磁屏蔽等等。

目前的太赫兹领域主要研究方向是太赫兹的成像技术和通信技术，影响太赫兹技术发展和应用的关键技术之一是获得优秀的太赫兹波调控元器件。太赫兹可调衰减器是用来对太赫兹波的幅度、相位等特性进行人为调控的。太赫兹的调控技术主要通过电学、光学、热学等方式来实现的，利用到的材料包括但不限于半导体基底、石墨烯材料、电磁超材料等。但由于THz功能器件的匮乏严重制约其发展与应用，因此，设计高性能易控制的THz功能器件已经成为THz技术发展的首要任务。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可调太赫兹衰减器及其制备方法，基于激光诱导生成石墨烯的太赫兹可调衰减器件,通过设计多个扇形区域，利用不同的激光参数直写PI膜生成石墨烯，改变其微观结构，使不同区域对太赫兹波的调制效果产生变化，通过太赫兹波照射不同扇形区域，实现对太赫兹波的步进或者连续的调制。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种可调太赫兹衰减器，该衰减器包括PI薄层即衬底PI薄膜或聚酰亚胺和其上的激光诱导生成石墨烯圆盘结构，通过激光直写PI膜生成石墨烯，在圆形PI膜上划分出等面积的扇形，在每一片扇形上确定一固定激光功率，并且沿圆心向外线性改变激光的速率而生成不同的石墨烯结构，实现对太赫兹波的频率进行调制，将得到的圆盘进行加工，使其可以进行转动，然后让太赫兹波透射其一片扇形的指定区域即可得到需要频率的太赫兹波。

其中，本发明激光直写PI膜的厚度在0.025mm-0.1mm，介电常数为3.5。

其中，石墨烯由激光直写PI膜生成，且石墨烯圆盘由12个或更多面积相同的扇形构成，每个扇形用不同的激光功率参数生成石墨烯结构，实现对太赫兹波的粗调，例如扇形为12片时，激光功率沿顺时针依次从0.35w～1.75w。

其中，单个扇形内沿半径方向线性改变激光的速率而生成不同的石墨烯结构，实现对太赫兹波的微调，激光的速率为20mm/s～30mm/s。

本发明的进一步改进在于：圆盘与一支架活动连接，所述支架底部设置有滑块，所述滑块在凹槽内滑动。

本发明还公开了一种可调太赫兹衰减器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：将PI膜擦净，去除表面杂质，并裁剪成大小合适的圆形薄片，平铺在工作台上；

步骤2：将选好的PI膜用胶布固定其四周，防止因为受热引起的皱缩；

步骤3：在电脑上利用EzCad2软件绘画出所要生成的圆盘；

步骤4：圆盘由大小相同的扇形组合而成；

步骤5：每个扇形采用相同激光功率诱导生成，不同扇形的功率成线性变化，实现对太赫兹波的粗调，每一个扇形内由圆心向外沿径向改变激光速率使得石墨烯的结构更加细化，实现对太赫兹波的细调；

步骤6：所述步骤5中激光的总功率为35W，利用1％～5％的激光功率，以及20mm/s～30mm/s的扫描速率，通过改变激光参数，使各个扇形中生成石墨烯的微观结构发生改变，从而改变各个扇形区域内的调制强度；

步骤7：所述步骤5中在生成扇形区域时，采用S形走线方式对生成区域进行整体填充；

步骤8：将生成的结构取下并保存；

步骤9：将PI膜未生成石墨烯的一面用支架固定，然后在支架底部设置有滑块，滑块在凹槽内滑动从而带动支架左右移动。

本发明的有益效果是：

本发明利用激光直写技术生成石墨烯，进而设计构成太赫兹可调衰减器件，这一方法工艺简单、成本低、效率高，且不使用催化剂，制备过程更加环保，并且可以利用天然存在的基质上形成LIG，例如布、纸、马铃薯皮、椰子壳、软木和活性炭等等；

本发明生成的太赫兹可调衰减器结构简单，器件调制方法简单易实现，通过不同的激光功率直写PI膜或其他材料生成石墨烯，石墨烯的微观结构发生改变，从而改变调制效果；

本发明通过设计多个微观结构不同的石墨烯扇形区域，组成石墨烯圆盘，每个扇形采用不同激光功率生成，使其可以实现对太赫兹波的粗调，每个扇形内再沿半径方向改变激光速率从而完成对太赫兹波的细调，通过粗调和细调的结合完成对太赫兹波的步进或连续调制。

本发明与以往太赫兹衰减器相比在相同的面积内能够对于更宽频率的太赫兹波起调制作用。本发明实际可作为太赫兹赫兹通信、探测和成像大型器件之中的关键元器件，器件材料柔性较好，可以灵活定制，有着巨大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明实施例中石墨烯圆盘的三维结构示意图。

图2是本发明实例的太赫兹衰减器整体示意图。

图3是本发明实例一中改变激光功率下的粗调吸收率变化示意图。

图4是本发明实例二中改变激光速率下的细调吸收率变化示意图。

其中：1-激光器；2-石墨烯；4-PI膜；5-支架；6-凹槽；7-PI和其上生成的石墨烯圆盘。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

本发明公开了一种可调太赫兹衰减器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：将PI膜擦净，去除表面杂质，并裁剪成大小合适的圆形薄片，平铺在工作台上；

步骤2：将选好的PI膜用胶布固定其四周，防止因为受热引起的皱缩；

步骤3：在电脑上利用EzCad2软件绘画出所要生成的圆盘；

步骤4：圆盘由大小相同的扇形组合而成；

步骤5：每个扇形采用相同激光功率诱导生成，不同扇形的功率成线性变化，实现对太赫兹波的粗调，每一个扇形内由圆心向外沿径向改变激光速率使得石墨烯的结构更加细化，实现对太赫兹波的细调；

步骤6：所述步骤5中激光的总功率为35W，利用1％～5％的激光功率，以及20mm/s～30mm/s的扫描速率，通过改变激光参数，使各个扇形中生成石墨烯的微观结构发生改变，从而改变各个扇形区域内的调制强度；

步骤7：所述步骤5中在生成扇形区域时，采用S形走线方式对生成区域进行整体填充；

步骤8：将生成的结构取下并保存；

步骤9：将PI膜未生成石墨烯的一面用支架固定，然后在支架底部设置有滑块，滑块在凹槽内滑动从而带动支架左右移动。

经过上述防范制备的可调太赫兹衰减器，衰减器包括衬底PI薄层和所述衬底PI薄层上的石墨烯圆盘，所述石墨烯圆盘由数个扇形且每一片扇形均为不同激光功率的激光直写PI膜生成的石墨烯构成，每一片扇形石墨烯均为圆心向外线性改变激光速率生成。

实施例一

本实施例中通过采用不同的激光功率直写PI膜诱导生成石墨烯扇形结构，实现对太赫兹波的粗调，所述衬底PI膜的厚度为0.025mm至0.1mm，介电常数在3.5左右，所述扇形区域采用S形走线方式进行整体填充。如图1所示，激光器在PI膜的一侧生成多个石墨烯扇形区域，组成石墨烯圆盘结构。其中不同扇形区域内采用不同激光功率，使得生成的石墨烯微观结构不同，进而使其对太赫兹波的衰减效果发生较大变化。其中激光功率沿顺时针方向由1％至5％线性改变，总功率30W，太赫兹波段为0.5Thz至2Thz，对应的太赫兹波的吸收率曲线如图3，由图3可知随着激光功率的提高，诱导生成的石墨烯对太赫兹波的吸收率也大幅度增长，可见通过改变激光功率可以实现对太赫兹波的粗调。

实施例二

在本实施例中通过改变激光速率直写PI膜诱导生成不同的石墨烯结构，实现对太赫兹波的细微调制。如图1中所示扇形结构，在每个扇形区域内，沿半径方向从圆心到边缘线性改变激光速率，使得生成的石墨烯微观结构在每个扇形内进一步发生变化，从而使其对太赫兹波的调制效果发生细微变化，以满足对太赫兹波的调制要求。其中沿圆心到边缘，激光速率从30mm/s至20mm/s线性变化，对太赫兹波的吸收率变化曲线如图4所示，可以看出，随着激光速率的下降，对应石墨烯结构对太赫兹波的吸收率升高，但是这种变化与激光功率引起的变化相比更加细微，从而可以在不同扇形内通过改变激光速率实现对太赫兹波的细微调制。本发明通过粗调与细调相结合的方式，实现对太赫兹波的有效调制。

通过实例一与实例二的制作步骤直写生成石墨烯圆盘，将所述圆盘在PI膜未生成石墨烯的一面用支架固定，所述圆盘与一支架活动连接，所述支架底部设置有滑块，所述滑块在凹槽内滑动，接着让太赫兹波通过这一圆盘，而圆盘不同区域激光功率不同，导致对太赫兹波的调制效果不同，使太赫兹波通过所述圆盘，实现对太赫兹波的调制。

由上述内容可知，本发明实施例利用激光诱导在PI膜上生成石墨烯的方法，通过对圆盘结构的不同区域采用不同激光功率直写，实现对通过圆盘的太赫兹波的步进或者连续的调制，解决了目前高性能易控制的太赫兹波调控元器件短缺的问题，具有工艺简单，成本低，调制效果好，对环境友好等优点，可在太赫兹的成像技术和通信技术等领域广泛应用。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：所述衰减器包括衬底PI薄层和所述衬底PI薄层上的石墨烯圆盘，所述石墨烯圆盘由数个扇形且每一片扇形均为不同激光功率的激光直写PI膜生成的石墨烯构成，每一片扇形石墨烯均为圆心向外线性改变激光速率生成。

2.根据权利要求1所述一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：激光直写PI膜的厚度在0.025mm-0.1mm，介电常数为3.5。

3.根据权利要求1所述一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：每一片扇形的面积均相等且激光功率为沿顺时针依次为0.35w-1.75w。

4.根据权利要求1所述一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：所述激光速率变化范围为20mm/s-30mm/s。

5.根据权利要求1所述一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：所述圆盘与一支架活动连接，所述支架底部设置有滑块，所述滑块在凹槽内滑动。

6.根据权利要求1所述一种可调太赫兹衰减器，其特征在于：所述衰减器包括如下制备方法：

步骤1：将PI膜擦净，去除表面杂质，并裁剪成大小合适的圆形薄片，平铺在工作台上；

步骤2：将选好的PI膜用胶布固定其四周，防止因为受热引起的皱缩；

步骤3：在电脑上利用EzCad2软件绘画出所要生成的圆盘；

步骤4：圆盘由大小相同的扇形组合而成；

步骤5：每个扇形采用相同激光功率诱导生成，不同扇形的功率成线性变化，实现对太赫兹波的粗调，每一个扇形内由圆心向外沿径向改变激光速率使得石墨烯的结构更加细化，实现对太赫兹波的细调；

步骤6：所述步骤5中激光的总功率为35W，利用1％～5％的激光功率，以及20mm/s～30mm/s的扫描速率，通过改变激光参数，使各个扇形中生成石墨烯的微观结构发生改变，从而改变各个扇形区域内的调制强度；

步骤7：所述步骤5中在生成扇形区域时，采用S形走线方式对生成区域进行整体填充；

步骤8：将生成的结构取下并保存；

步骤9：将PI膜未生成石墨烯的一面用支架固定，然后在支架底部设置有滑块，滑块在凹槽内滑动从而带动支架左右移动。

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