CN111996496A - 一种太赫兹衰减片的制备方法及其衰减特性标定方法 - Google Patents

一种太赫兹衰减片的制备方法及其衰减特性标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属薄膜的高精度太赫兹衰减片制备方法及其衰减特性标定方法，衰减片设计依据的原理为：太赫兹波是无法穿透金属材质的，但当金属的厚度小于趋肤深度时情况会发生变化，一部分太赫兹波会透过金属薄膜，透射率取决于金属薄膜的厚度，厚度越小透过率也就越大，相应地，衰减就越小；反之，厚度越大，衰减也就越大。采用本发明的技术方案：(1)衰减片对工作频率没有选择性，因此适用于整个太赫兹波段；(2)衰减片为薄膜结构，因此不改变太赫兹波的传输特性，不仅适用于对平行太赫兹波束的衰减，而且同样适用于对会聚波束进行衰减；(3)衰减片通过溅射工艺制备而成，可有效保证制备精度。

Description

一种太赫兹衰减片的制备方法及其衰减特性标定方法
技术领域
本发明涉及太赫兹衰减片技术领域，尤其涉及的是，一种太赫兹衰减片的制备方法及其衰减特性标定方法。
背景技术
太赫兹衰减片是一种对太赫兹能量进行衰减的功能器件，在测试计量等领域都具有重要应用。如在对太赫兹探测器的功率响应下限进行测量时，需要微弱的太赫兹信号作为测试源，因此一般采用具有大衰减量的衰减片对入射到探测器探测面的太赫兹波进行衰减。又如高莱管是一种高灵敏度探测器，在太赫兹***中被广泛应用，其太赫兹功率探测上限仅为10μW左右，超出此值变无法实现有效探测，而太赫兹源的功率一般会在毫瓦至几十毫瓦量级，这就需要用太赫兹衰减片对入射到高莱管的太赫兹功率进行衰减，以满足高莱管探测器功率探测范围的要求。另外在对太赫兹探测端的线性度进行测试时，需要用一系列具有不同衰减量的衰减片对入射到探测端的太赫兹波进行衰减，从而测量不同入射功率下太赫兹探测端的输出信号值，并据此计算探测端的响应线性度。
太赫兹衰减片一般是基于菲涅尔反射原理实现，现有的方案是选用在工作波段无吸收且折射率无频率依赖性的物质作为制备衰减片的材料，通过对材料进行加工制备成衰减片。高阻硅在0.1THz～4THz频段具有极低的吸收和色散，因此在该频段满足衰减片的设计要求，常被用做太赫兹衰减片的材料，通过对硅棒进行切割、抛光等过程加工而成厚度为毫米量级的硅衰减片。衰减片的衰减量仅取决于硅片表面与入射太赫兹波的夹角，硅片表面法线与入射太赫兹波间的夹角越大，反射率就越高，相应地，衰减量也就越大。现有技术方案存在以下缺点：(1)现有方案的适用频段为0.1THz～4THz，对其余太赫兹频段不适用；(2)现有方案中衰减片的厚度在毫米量级，在被衰减波束为会聚波束时，波束的聚焦状态会因衰减片的折射而发生变化，从而为测试过程带来不利影响；(3)该方案对硅衰减片面型的加工精度要求很高，制备难度大，衰减精度难以保证。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于金属薄膜的高精度太赫兹衰减片制备方法及其衰减特性标定方法，可实现(0.1～10)THz全太赫兹波段内波束能量的高精度衰减，同时对波束传播状态影响极小，既可用于对平行波束进行衰减也适用于会聚波束。所用的标定方法溯源至太赫兹功率标准，标定结果准确可靠。
本发明的技术方案如下：
一种太赫兹衰减片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤101：清洗聚酯基片并干燥；准备直径为50mm、厚度为25μm的聚酯基片，放入夹具中，依次采用酸洗、酒精和去离子水超声波清洗各5分钟，然后用氮气吹干，使得基片表面尽可能清洁，以提高表面溅射成膜的附着力；
步骤102：将聚酯基片与托盘固定；使用螺钉，将聚酯基片与托盘固定，形成临时键合体；
步骤103：在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜；采用直流磁控溅射技术，在聚酯基片上表面溅射金属薄膜，靶材采用高纯度NiCr20靶，溅射气体采用纯度为99.999％的氩气，背底真空度优于5×10-5Pa，溅射气压0.5Pa，沉积温度为200℃；
步骤104：将聚酯基片与托盘分离，完成制作；从工件盘上取下固定螺钉，将聚酯基片与托盘分离，即得到在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜的太赫兹衰减片。
上述步骤103中，根据衰减量和金属种类来确定溅射金属薄膜的厚度，溅射金属薄膜的厚度的范围为几十纳米到几百纳米量级。
一种上述制备方法制备的衰减片衰减特性标定方法，具体包括以下步骤：
第一步：设置由太赫兹源、分束镜、太赫兹标准功率计、监测功率计组成高精度衰减量标定装置；
第二步：调节太赫兹源至稳定工作状态并使其输出功率值处于功率计的测量范围内；输出的太赫兹波束经分束镜后分为两束，其中主光路入射到太赫兹标准功率计中，辅助光路入射到监测功率计中对太赫兹源的功率波动进行监测；
第三步：在标定衰减片的衰减率时，首先记录不放置被测衰减片时太赫兹标准功率计和监测功率计的值，分别记为P1和P2；然后将被测衰减片切入主光路中，并使其法线与光轴一致，记录此时太赫兹标准功率计和监测功率计的值，分别记为P1’和P2’；则被测衰减片的衰减率α表示为，公式1：
公式1：
Figure BDA0002655140500000031
上述中，所述太赫兹源为单色太赫兹激光器，设置在1.63THz、2.52THz和4.25THz波长点辐射出连续太赫兹波。
上述中，所述分束镜的分束比为20％：80％，用于把从太赫兹源辐射的太赫兹波分为两路，其中功率占比80％的光路为主光路，另一路为监测光路；主光路经被测衰减片入射到标准功率计中，用于标定衰减片的衰减量，监测光路部分入射到监测功率计中，用于监测太赫兹源的功率波动。
上述中，所述太赫兹标准功率计为太赫兹波段功率标准，设计为双通道探测结构，其中一个通道为信号测量通道，另一个通道为背景噪声测量通道；响应光谱范围为0.3THz～10THz，功率测量不确定度为2％。
上述中，所述监测功率计为高稳定太赫兹功率计，响应光谱范围为0.1THz～30THz。
采用本发明的技术方案：(1)衰减片对工作频率没有选择性，因此适用于整个太赫兹波段；(2)衰减片为薄膜结构，因此不改变太赫兹波的传输特性，不仅适用于对平行太赫兹波束的衰减，而且同样适用于对会聚波束进行衰减；(3)衰减片通过溅射工艺制备而成，可有效保证制备精度；(4)衰减特性标定方法可实现衰减量的溯源，准确度高、简单可靠。
附图说明
图1为本发明太赫兹衰减片制备方法流程图。
图2为本发明太赫兹衰减片衰减特性标定方法示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提出一种基于金属薄膜的高精度太赫兹衰减片制备方法及其衰减特性标定方法，衰减片设计依据的原理为：一般情况下，太赫兹波是无法穿透金属材质的，但当金属的厚度小于趋肤深度时情况会发生变化，一部分太赫兹波会透过金属薄膜，透射率取决于金属薄膜的厚度，厚度越小透过率也就越大，相应地，衰减就越小；反之，厚度越大，衰减也就越大。
本发明的一个实施例是，提供一种基于金属薄膜的高精度太赫兹衰减片制备方法，流程图如图1所示，制备过程主要是基于磁控溅射工艺在基底上溅射金属薄膜，具体包括以下步骤：
步骤101：清洗聚酯基片并干燥；准备直径为50mm、厚度为25μm的聚酯基片，放入夹具中，依次采用酸洗、酒精和去离子水超声波清洗各5分钟，然后用氮气吹干，使得基片表面尽可能清洁，以提高表面溅射成膜的附着力；
步骤102：将聚酯基片与托盘固定；使用螺钉，将聚酯基片与托盘固定，形成临时键合体；
步骤103：在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜；采用直流磁控溅射技术，在聚酯基片上表面溅射金属薄膜，根据衰减量和金属种类来确定溅射金属薄膜的厚度，一般在几十纳米至几百纳米量级。做为一种实施例，靶材采用高纯度NiCr20靶，溅射气体采用纯度为99.999％的氩气，背底真空度优于5×10-5Pa，溅射气压0.5Pa，沉积温度为200℃。
步骤104：将聚酯基片与托盘分离，完成制作；从工件盘上取下固定螺钉，将聚酯基片与托盘分离，即得到在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜的太赫兹衰减片。
另一实施例是，一种根据上述制备方法制备的衰减片衰减特性标定方法，在衰减片制备完成后，需要对衰减片的衰减特性进行标定，以确保其衰减精度。为此，本发明还提出一种基于金属薄膜的高精度太赫兹衰减片衰减特性标定方法，如图2所示，具体步骤包括：
第一步：设置由太赫兹源201、分束镜202、太赫兹标准功率计204、监测功率计205组成高精度衰减量标定装置。
装置中，太赫兹源201为单色太赫兹激光器，可在1.63THz、2.52THz和4.25THz等波长点辐射出连续太赫兹波。
太赫兹分束镜202的分束比为20％：80％，用于把从太赫兹源辐射的太赫兹波分为两路，其中功率占比80％的光路为主光路，另一路为监测光路。主光路经被测衰减片入射到标准功率计中，用于标定衰减片的衰减量，监测光路部分入射到监测功率计中，用于监测太赫兹源的功率波动。
太赫兹标准功率计204为太赫兹波段功率标准，设计为双通道探测结构，其中一个通道为信号测量通道，另一个通道为背景噪声测量通道。双通道探测结构可有效抑制环境变化对测量结果带来的干扰，从而准确测量出入射太赫兹波的功率。响应光谱范围为0.3THz～10THz，功率测量不确定度为2％。
监测功率计205为高稳定太赫兹功率计，响应光谱范围为0.1THz～30THz。
第二步：调节太赫兹源201至稳定工作状态并使其输出功率值处于功率计的测量范围内。输出的太赫兹波束经分束镜202后分为两束，其中主光路入射到太赫兹标准功率计204中，辅助光路入射到监测功率计205中对太赫兹源201的功率波动进行监测。
第三步：在标定衰减片的衰减率时，首先记录不放置被测衰减片203情况下太赫兹标准功率计204和监测功率计205的值，分别记为P1和P2；然后将被测衰减片203切入主光路中，并使其法线与光轴一致，记录此时太赫兹标准功率计204和监测功率计205的值，分别记为P1’和P2’；则被测衰减片203的衰减率α可表示为，公式1：
公式1：
Figure BDA0002655140500000061
采用本发明的技术方案：(1)衰减片对工作频率没有选择性，因此适用于整个太赫兹波段；(2)衰减片为薄膜结构，因此不改变太赫兹波的传输特性，不仅适用于对平行太赫兹波束的衰减，而且同样适用于对会聚波束进行衰减；(3)衰减片通过溅射工艺制备而成，可有效保证制备精度；(4)衰减特性标定方法可实现衰减量的溯源，准确度高、简单可靠。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种太赫兹衰减片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤101：清洗聚酯基片并干燥；准备直径为50mm、厚度为25μm的聚酯基片，放入夹具中，依次采用酸洗、酒精和去离子水超声波清洗各5分钟，然后用氮气吹干，使得基片表面尽可能清洁，以提高表面溅射成膜的附着力；
步骤102：将聚酯基片与托盘固定；使用螺钉，将聚酯基片与托盘固定，形成临时键合体；
步骤103：在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜；采用直流磁控溅射技术，在聚酯基片上表面溅射金属薄膜，靶材采用高纯度NiCr20靶，溅射气体采用纯度为99.999％的氩气，背底真空度优于5×10-5Pa，溅射气压0.5Pa，沉积温度为200℃；
步骤104：将聚酯基片与托盘分离，完成制作；从工件盘上取下固定螺钉，将聚酯基片与托盘分离，即得到在聚酯基片上表面沉积NiCr薄膜的太赫兹衰减片。
2.如权利要求1所述的太赫兹衰减片的制备方法，其特征在于，所述步骤103中，根据衰减量和金属种类来确定溅射金属薄膜的厚度，溅射金属薄膜的厚度的范围为几十纳米到几百纳米量级。
3.一种根据权利要求1所述的制备方法制备的衰减片衰减特性标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步：设置由太赫兹源、分束镜、太赫兹标准功率计、监测功率计组成高精度衰减量标定装置；
第二步：调节太赫兹源至稳定工作状态并使其输出功率值处于功率计的测量范围内；输出的太赫兹波束经分束镜后分为两束，其中主光路入射到太赫兹标准功率计中，辅助光路入射到监测功率计中对太赫兹源的功率波动进行监测；
第三步：在标定衰减片的衰减率时，首先记录不放置被测衰减片时太赫兹标准功率计和监测功率计的值，分别记为P1和P2；然后将被测衰减片切入主光路中，并使其法线与光轴一致，记录此时太赫兹标准功率计和监测功率计的值，分别记为P1’和P2’；则被测衰减片的衰减率α表示为，公式1：
公式1：
Figure FDA0002655140490000021
4.如权利要求3所述的衰减特性标定方法，其特征在于，所述太赫兹源为单色太赫兹激光器，设置在1.63THz、2.52THz和4.25THz波长点辐射出连续太赫兹波。
5.如权利要求4所述的衰减特性标定方法，其特征在于，所述分束镜的分束比为20％：80％，用于把从太赫兹源辐射的太赫兹波分为两路，其中功率占比80％的光路为主光路，另一路为监测光路；主光路经被测衰减片入射到标准功率计中，用于标定衰减片的衰减量，监测光路部分入射到监测功率计中，用于监测太赫兹源的功率波动。
6.如权利要求5所述的衰减特性标定方法，其特征在于，所述太赫兹标准功率计为太赫兹波段功率标准，设计为双通道探测结构，其中一个通道为信号测量通道，另一个通道为背景噪声测量通道；响应光谱范围为0.3THz～10THz，功率测量不确定度为2％。
7.如权利要求6所述的衰减特性标定方法，其特征在于，所述监测功率计为高稳定太赫兹功率计，响应光谱范围为0.1THz～30THz。
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