展 鵬, 蔡 斌, 唐 軍

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

基于納米復(fù)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(xué) 光電信息和計算機工程學(xué)院,上海 200093; 2.四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(jié)(SPS)工藝制備了一種新型納米復(fù)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(shè)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(dá)90%,遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)進(jìn)一步減少了太赫茲波段菲涅爾反射損失,器件整體性能優(yōu)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(jié)

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(zhì)使其在生物醫(yī)學(xué)成像、包裝貨物檢查、遙感和未來通信系統(tǒng)等[1-4]方面具有廣闊的應(yīng)用前景,目前得到了日新月異的發(fā)展.太赫茲信號主要由固定波長的高能激光脈沖激發(fā)太赫茲源產(chǎn)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(chǎn)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(shù)太赫茲時域檢測系統(tǒng)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(dá)3.42的相對折射率會使太赫茲輻射在硅材料表面發(fā)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(tǒng)的整體性能.另外,由于近紅外區(qū)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(xù)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(chǎn)生,較短的泵浦脈沖持續(xù)時間通常對應(yīng)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(tǒng)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(shè)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(jù)瑞利散射原理,對于一個納米顆粒均勻分布的復(fù)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?jǐn)?shù);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?jǐn)?shù)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(shù)量級,所以太赫茲波段的散射系數(shù)將比激光的散射系數(shù)小108～1012.

當(dāng)材料整體厚度l為500 μm,納米顆粒體積分?jǐn)?shù)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(yīng)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(jìn)行常規(guī)燒結(jié)成型,所以選取高阻硅微米顆粒作為粘結(jié)劑,在其中起到橋梁的作用,將金剛石納米顆粒粘結(jié)起來制備成疏松多孔的新型復(fù)合材料[14].在遠(yuǎn)低于金剛石熔點的條件下運用放電等離子體燒結(jié)(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(jìn)行吸收,器件設(shè)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(dǎo)化學(xué)氣相沉積法[17]等.目前商業(yè)化生產(chǎn)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(huán)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(zhì)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(jīng)過過濾篩網(wǎng)篩掉研磨球后,在大燒杯中進(jìn)行濃縮蒸發(fā)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(jié)原理是高頻脈沖DC電流通過粉末顆粒,在高達(dá)1 000 A的電流下,顆粒表面產(chǎn)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(tǒng)高溫馬弗爐燒結(jié)方式,SPS工藝?yán)玫氖俏镔|(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱和電場擴散作用,具有熱量分布更均勻,燒結(jié)溫度更低,燒結(jié)效率更高等優(yōu)點,對于制備金剛石和高阻硅復(fù)合多孔隙材料是一種非常理想的燒結(jié)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(jīng)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(diào)整模具壓棒位置,使壓棒兩端水平,放入SPS系統(tǒng),使模具位于燒結(jié)面中心位置.燒結(jié)完成待冷卻后取出樣品,進(jìn)行打磨,除去表面粘附的石墨,將樣品打磨至500 μm左右,燒結(jié)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(jié)樣品的表面/界面的掃描電子顯微鏡的觀測結(jié)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(jìn)行比對,得出燒結(jié)樣品的致密度在73.2%左右.此外,燒結(jié)的樣品中依然殘留部分大粒徑顆粒,這些大顆粒可能對太赫茲波的透過產(chǎn)生不利的影響.

圖5 燒結(jié)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(fù)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(tǒng)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(dǎo)軌上的樣品架中,緩慢滑動導(dǎo)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(fù)3次取平均值.

圖8 激光透過率測試示意圖

經(jīng)過實際測量,當(dāng)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(fù)頻率1 kHz.激光能量需要先經(jīng)過聚焦后再打在樣品上進(jìn)行測試,光斑經(jīng)過激光光斑測試CCD可以看出(見圖9),其直徑約為718 μm,調(diào)節(jié)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(guān)參數(shù)通過以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化:

(2)

式中:PP為峰值功率;P為平均功率;f為重復(fù)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(jīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過高阻硅激光損傷閾值.

太赫茲透過率測試結(jié)果如圖10和圖11所示(見下頁).由圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn),所設(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu),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(qū)域的透過率;d.高阻硅的吸收系數(shù)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(qū)的透過特性.

圖10 太赫茲透過率時域測試結(jié)果

圖11 太赫茲濾波器的太赫茲透過率

4 結(jié) 論

本文所設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過高阻硅.整體上制備的濾波器性能優(yōu)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?jǐn)?shù)過低,兩側(cè)表面菲涅爾反射損失約為20%,器件內(nèi)部顆粒不均勻性和少數(shù)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(yōu)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(jié)時進(jìn)一步加快升溫速率可以使器件孔隙更多,進(jìn)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(xué)基金資助項目(61377111)

展鵬(1991-),男,碩士研究生.研究方向:光學(xué)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