CN109597149B - 一种新型的用于太赫兹功能器件中太赫兹衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型的三层结构衰减片、基于该结构形成的Ni纳米线太赫兹衰减片及太赫兹衰减器。所述三层结构衰减片，其结构从下到上依次包括：基底、有序排列的Ni纳米线层以及聚二甲基硅氧烷固定层。所述Ni纳米线太赫兹衰减片，包括两个权利要求1或2所述的三层结构衰减片A/B，其中，三层结构衰减片A位置固定，三层结构衰减片B通过连续固定可调转轴转动，所述三层结构衰减片B转动的轴心线与所述三层结构衰减片A中与所述轴心线同方向的中心线在同一铅垂面内。本发明的主要是对衰减片结构上的创新，通过双层可旋转的结构来实现太赫兹光波强度的连续可调控制。

Description

一种新型的用于太赫兹功能器件中太赫兹衰减器
技术领域
本发明涉及一种新型的用于太赫兹功能器件中太赫兹衰减器。
背景技术
太赫兹波通常情况下定义为频率范围从0.1THz到10THz的电磁波，该波段处于微波与红外光之间，波长范围从30微米到3毫米。由于太赫兹所处电磁波谱位置比较特殊，使其具有许多优越的特性，主要特点包括有：(1)瞬态性；(2)穿透性；(3)低能量性；(4)相干性；(5)宽带性等等。由于太赫兹波具有以上特性，并且对于极性分子例如水分子、氨分子来说对太赫兹波都具有很强的吸收，使得太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面都有着很好地研究前景。
目前，太赫兹光谱技术主要研究领域包括安全检测领域、军事与雷达通信领域、医药检测领域、生物化学领域以及环境监测领域。鉴于太赫兹技术近些年来取得了不错的进展，但是作为一个完整的太赫兹***，仅仅是对于太赫兹探测的研究是不够的，太赫兹技术的进步还需要包括相关太赫兹功能器件的搭建，探索与实际应用的进展来推动。太赫兹功能器件主要包括太赫兹波导、太赫兹偏振器、太赫兹波调制器、太赫兹波天线、太赫兹波开关、太赫兹波衰减器等等。由于在研究中有时需要将太赫兹波衰减后进行应用，所以太赫兹波衰减器的开发成为协助太赫兹波研究必不可少的一部分。
所谓太赫兹波衰减器，是指能够改变THz波功率及能量特性的，其主要目的是为了保护THz探测器的饱和而对THz辐射信号进行衰减的目的，目前实验室中主要用到的太赫兹衰减器大多来自MicroTech公司出品的衰减器，该衰减器对于THz光电导天线，反波振荡器以及自由电子激光器均可得到宽而平坦的信号衰减，其主要由薄膜镀层元件组成，主要原理是通过金属化处理的楔形硅片具有不同的衰减水平，楔形硅片可单独或共同使用，在通过楔形硅片之间的组合可以到达不同的衰减水平(崔海霞.太赫兹波传输及传感若干问题的研究(D).长春:长春理工大学，2011)。虽然该技术目前发展已较为完善，但衰减器制备方法太过单一，且制备方法较为复杂，材料较为昂贵，并且该方法并不能实现对太赫兹波的连续可控调控。
发明内容
针对目前制备太赫兹波衰减器存在的技术太过复杂且成本昂贵的缺陷，本发明提出了一种新型的三层结构衰减片、基于该结构形成的Ni纳米线太赫兹衰减片以及基于所述Ni纳米线太赫兹衰减片的太赫兹衰减器。
本发明所提供的三层结构衰减片，其结构从下到上依次包括：基底、有序排列的Ni纳米线层以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定层。
其中，所述基底选用的材料为PE(聚乙烯)。
所述有序排列具体可为平行排列，即所述Ni纳米线层中的各条Ni纳米线之间均呈平行排列。
所述固定层的面积优选与所述基底的面积相同。
本发明所提供的Ni纳米线太赫兹衰减片，包括上述两个相同的三层结构衰减片A和B，其中,三层结构衰减片A位置固定，三层结构衰减片B通过连续固定可调转轴转动，所述三层结构衰减片B转动的轴心线与所述三层结构衰减片A中与所述轴心线同方向的中心线在同一铅垂面内，所述三层结构衰减片B相对于所述三层结构衰减片A的转动轨迹位于所述三层结构衰减片A的一侧，从而保证两个三层结构衰减片相对旋转形成连续角度，角度范围为0°-360°。
当旋转角度为0度时，两个所述三层结构衰减片是平行相对的(即两者的PDMS层是相对的)。此处的0°是指两层Ni纳米线平行排列且之间形成的角度为0°
通过旋转其中一个三层结构衰减片，使两层Ni纳米线成不同角度，从而实现对太赫兹光波的连续可控强度衰减。
所述Ni纳米线太赫兹衰减片还包括将三层结构衰减片A和B连接的连接部件。
上述Ni纳米线太赫兹衰减片中，三层结构衰减片A和B的连接方式可采用能实现上述功能的任何可选的连接方式。如三层结构衰减片A和B可通过设于三层结构衰减片A和B侧面中心的连接杆相连，所述连接杆的一端与三层结构衰减片A固定连接，所述连接杆的另一端与三层结构衰减片B通过连续固定可调转轴转动连接。
本发明所提供的太赫兹衰减器，包括上述的Ni纳米线太赫兹衰减片及***装置。
上述Ni纳米线太赫兹衰减片在制备太赫兹功能器件中的应用也属于本发明的保护范围。所述太赫兹功能器件主要包括太赫兹波导、太赫兹偏振器、太赫兹波调制器、太赫兹波天线、太赫兹波开关、太赫兹波衰减器。
本发明在材料选择上与常规太赫兹衰减器材料不同，选用PE(聚乙烯)作为基底材料，在基底上沉积有平行排列的Ni纳米线，然后在PE基底与Ni纳米线上覆盖上一层PDMS固定层。本发明的Ni纳米线衰减片选用工业用聚乙烯作为基底，PE板剪裁方便，价格低廉，然后利用磁场将Ni纳米线沉降在PE基底上。
上述的Ni纳米线太赫兹衰减片中，由于Ni纳米线易脱落且在空气中容易氧化，优选的，当所述衰减层制备完后，需在衰减层上覆盖一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)透明介质作为覆盖层。
上述的Ni纳米线太赫兹衰减片中，所述的双层Ni纳米线是通过旋转两个单层Ni纳米线片来实现的，通过这种方法可以实现连续可调太赫兹光波衰减。
上述的Ni纳米线太赫兹衰减片中，优选的，所述的覆盖层物质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，该物质特点是对太赫兹波段基本无吸收且具有良好的粘附能力，通过加热使PDMS***并粘附在PE基底上。
本发明主要在于选择Ni纳米线双层排列作为衰减层，利用光的散射原理对太赫兹波进行衰减，这种排列方式与制备方法有效的拓宽了太赫兹衰减器的制备方法，优化了太赫兹衰减器的制备工艺，且具有相同的衰减效果。
本发明提供的Ni纳米线太赫兹衰减片与其他结构(如插片式衰减装置，转盘式衰减装置相连，可参照现有技术类似产品结构)结合，即可将该太赫兹衰减器应用到实际的太赫兹光谱的研究中。
本发明还提供了制备上述三层结构衰减片的方法，包括下述步骤：
1)采用现有的方法制备Ni纳米线；
2)利用磁场将所述Ni纳米线有序沉积在基底上；
3)用PDMS覆盖在Ni纳米线上，须与PE基底有着良好的接触。
其中，步骤1)制备Ni纳米线的方法具体可为模板法，制备结束后清洗金电极和溶解AAO模板，可获得较为纯净的Ni纳米线。
纳米线的防氧化处理：用PDMS覆盖在Ni纳米线上，须与PE基底有着良好的接触。
上述的制备方法中，Ni纳米线的排列主要是通过在制备好的Ni纳米线中倒入适量的无水乙醇并超声均匀形成浑浊液，通过磁场与干燥箱的作用将浑浊液中的Ni纳米线沉积在聚乙烯(PE)基底上，无水乙醇干燥后PE板上留下的便是排列好单层Ni纳米线，
上述的制备方法中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)层的制备方法为将适量液态PDMS倒在排列有一层Ni纳米线的PE基底上，加热使PDMS***并吸附在基底上。
本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的Ni纳米线太赫兹衰减器采用平行于基底的，相互成一定角度的双层大面积有序排列的Ni纳米线，并在Ni纳米线上覆盖一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层，具有制备简单，应用范围广，可实现对太赫兹波强度的不同程度的衰减，成本低廉，易于工业化生产，对未来太赫兹光谱应用的发展有着广泛的应用前景。本发明的主要是对衰减片结构上的创新，通过双层可旋转的结构来实现太赫兹光波强度的连续可调控制。双层Ni纳米线的角度越大透光强度越弱，沉积Ni纳米线浓度越大，透光强度越弱。
附图说明
图1为三层结构衰减片的结构示意图，其中，1PE基底，2Ni纳米线，3PDMS覆盖层。
图2为Ni纳米线太赫兹衰减片的结构示意图，其中，1PDMS覆盖层，2PE基底，3Ni纳米线，4连续固定可调转轴,A、B均为三层结构的衰减片。
图3为实施例1中太赫兹衰减器的正视草图。
图4为Ni纳米线太赫兹衰减片中，两层Ni纳米线呈不同角度时对应的光强衰减。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、一种Ni纳米线太赫兹衰减片应用于太赫兹衰减器
如图1所示，本发明提供的三层结构衰减片，从上到下依次包括：PE基底层、有序排列的Ni纳米线层以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定层(保护层)。
如图2所示，本发明所提供的Ni纳米线太赫兹衰减片，包括两个上述的三层结构衰减片，两者通过设置于三层结构衰减片侧面的连续固定可调转轴转动连接，其中一个三层结构衰减片位置固定，另一个三层结构衰减片可转动，使两个三层结构衰减片相对旋转形成连续角度，角度范围为0°-360°。当旋转角度为0度时，两个所述三层结构衰减片是平行相对的。
本实施案例的三层结构衰减片是通过下列方法制备得到的：
Ni纳米线的生长：以多孔阳极氧化铝(AAO)模板为空模板，模板底面以一层厚约20nm的金电极作为阴极，阳极使用的是碳电极。反应液通过称取33.84g六水合硫酸镍和18g硼酸共同放入400ml烧杯中，加入400ml去离子水后进行磁力搅拌，保持搅拌装填通过稀硫酸溶液调节反应液pH值为3，得到浅绿色的澄清液体。将反应液加入到电化学反应沉积***，起始电流密度为6mA/cm2,电镀2min后将电流密度减少为3mA/cm2，继续电镀约2.5h即可在AAO模板上制得排列整齐的Ni纳米线阵列。最后为去除模板，分为清洗金电极和溶解AAO模板，用混合比例为1:3(v/v)的浓硝酸和浓盐酸配制成的王水溶解AAO模板后的金电极，去离子水清洗模板后用0.25g/ml氢氧化钠溶液在超声条件下溶解AAO模板1h，利用钕铁硼磁铁将Ni纳米线吸至烧杯底部，清洗后即可制备出比较纯净的Ni纳米线。所制备的Ni纳米线长为20-50μm，直径为300nm左右。
Ni纳米线的排列：利用Ni纳米线倒入适量无水乙醇并超声形成浑浊液，然后将浑浊液倒入底部含有聚乙烯(PE)基底的烧杯中，将两端固定有磁铁的盒子放入干燥箱后加入含有浑浊液的烧杯，使Ni纳米线在磁场作用下沉降在PE基底上。
Ni纳米线的防氧化处理：由于通过上述方法沉降的Ni纳米线并不能够完全固定在PE基底上，同时长时间暴露在空气环境中会使Ni纳米线氧化，因此将适量液态PDMS倒在排列有两层Ni纳米线的PE基底上，加热使PDMS***并吸附在基底上，即得到三层结构的衰减片。
将上述制备的两个的三层结构衰减片，通过设置于其侧面的连续固定可调转轴转动连接，即得Ni纳米线太赫兹衰减片。
图3是实施例1中太赫兹衰减器的正视草图，可以更为直观的观察该结构。
从图1可以看出Ni纳米线以一定角度有序排列，且平行附着在PE基底层上；
聚二甲基硅氧烷(PDMS)保护层位于PE基底层与Ni纳米线上，其中PE基底层与聚二甲基硅氧烷层面积大致相等，图1中两层面积略有差距是因为聚二甲基硅氧烷层为透明保护层，为了能够在结构图中观察到该保护层，使其与PE层略有不同，只作为示意结构图。
在Ni纳米线太赫兹衰减片中，双层Ni纳米线层中单根Ni纳米线在扫描电镜下观察到长度为微米级别，直径为纳米级别，单层Ni纳米线厚度约为微米级别，两层Ni纳米线厚度近似相等，通过太赫兹光谱仪检测结果我们可将其视为两层厚度相同的Ni纳米线的交叠。两层Ni纳米线所成角度在0°-360°范围内连续可调，随着两层Ni纳米线排列角度的变大，太赫兹透射光强度减弱，这主要是由于光的散射原因造成的。
图4给出了Ni纳米线太赫兹衰减片中，两层Ni纳米线呈不同角度时对应的光强衰减效果。从图中可以看出，随着角度的增加，光强衰减程度越大，即衰减效果越好。

Claims (8)

1.一种Ni纳米线太赫兹衰减片，包括两个相同的三层结构衰减片，其中，一个定义为三层结构衰减片A，另一个定义为三层结构衰减片B，所述三层结构衰减片A位置固定，所述三层结构衰减片B通过连续固定可调转轴转动，所述三层结构衰减片B转动的轴心线与所述三层结构衰减片A中与所述轴心线同方向的中心线在同一铅垂面内；
所述三层结构衰减片的结构从下到上依次包括：基底、有序排列的Ni纳米线层以及聚二甲基硅氧烷固定层；
所述有序排列为平行排列，即所述Ni纳米线层中的各条Ni纳米线之间均呈平行排列。
2.根据权利要求1所述的Ni纳米线太赫兹衰减片，其特征在于：所述基底选用的材料为聚乙烯；
所述固定层的面积与所述基底的面积相同。
3.根据权利要求1所述的Ni纳米线太赫兹衰减片，其特征在于：所述两个三层结构衰减片相对旋转形成连续角度，角度范围为0°-360°。
4.根据权利要求3所述的Ni纳米线太赫兹衰减片，其特征在于：旋转角度为0度时，两个所述三层结构衰减片是平行相对的。
5.根据权利要求1-4任一项所述的Ni纳米线太赫兹衰减片，其特征在于：所述Ni纳米线太赫兹衰减片还包括将三层结构衰减片A和B连接的连接部件。
6.权利要求1-5任一项所述的Ni纳米线太赫兹衰减片在制备太赫兹功能器件中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，所述太赫兹功能器件主要包括太赫兹波导、太赫兹偏振器、太赫兹波调制器、太赫兹波天线、太赫兹波开关、太赫兹波衰减器。
8.一种太赫兹衰减器，包括权利要求1-5任一项所述的Ni纳米线太赫兹衰减片及***装置。
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