飞秒激光微加工制备无衬底太赫兹带通滤波器 
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1 引言
太赫兹(THz)辐射通常指的是频率为0.1~10.0 THz电磁波辐射,其具有不同于微波、红外和X射线等电磁波的特点,如高透射性、低能量、高分辨率等。太赫兹波在生物传感[1]、物体成像[2]、卫星通信[3]、雷达探测[4]等领域具有重要的研究价值。有效地调控太赫兹波是实现太赫兹技术广泛应用的前提,因此,对太赫兹系统中的功能器件如太赫兹波导、偏振器、调制器、天线、开关、带阻带通滤波器等的研究显得尤为重要[5-6]。具有优良性能的太赫兹带通滤波器在太赫兹雷达和通信应用中有着重要的作用,一直是研究热点之一[7]。
频率选择表面(FSS)是由介质表面上呈周期排布的金属贴片单元或孔单元组成的二维周期性结构[8]。这种结构可根据排列方式、单元结构的不同,对电磁波表现出带通、带阻、高通或低通的特性。2011年,Bergmair等[9]采用纳米压印光刻技术制备了矩形、十字等单元结构的超材料,该材料对特定频段的THz信号具有频率选择特性。2012年,Das等[10]通过在铝膜上加工环形槽结构,制备了一种基于圆环型FSS,可应用于太赫兹通信系统的滤波器。2013年,Li等[11]运用柔性电子制造技术和标准光刻技术制备了可调谐超材料。王文涛等[12]利用时域有限差分(FDTD)法,设计并制备了基于三个方形封闭谐振环的多频带太赫兹滤波器,并进行了透射性能测试,实验与仿真结果基本符合。2017年,Ebrahimi等[13]采用多层均胶单次紫外曝光工艺,设计制备了太赫兹波段的矩形波导滤波器。Zhang等[14]设计了太赫兹波段的金属矩形孔高通滤波器。目前,太赫兹波段的滤波器制备通常基于半导体光刻工艺[15]。这种方法工艺复杂,需要制备相应的掩模板和介质基底,制备周期较长,对准精度要求高,成本高昂,不利于多样化快速制备滤波器,因此寻求一种流程简洁、制备快速、成本相对较低的微加工方法具有重要意义[16]。
飞秒激光加工具有脉冲宽度小、峰值功率高、热影响区小的特点,属于冷加工,可以在各种材料表面或内部实现突破衍射极限和复杂结构的加工,符合太赫兹滤波器件精密加工的要求[17]。
本文基于飞秒激光微加工系统和FDTD法仿真,在铝箔上设计并制备了基于FSS的太赫兹滤波器,利用时域太赫兹光谱(TDTS)系统对滤波器频率响应进行测量。三组不同结构参数的十字型太赫兹滤波器的中心频率处的透射率均达到了85%以上,显示了良好的滤波性能。采用无衬底设计的滤波器能够避免衬底引起的吸收损耗以及两表面之间产生的谐振对滤波器性能的影响。
2 基本原理
2.1 飞秒激光微加工系统
2.2 样品制备
将裁剪好的铝箔用乙醇、乙醇去离子水擦拭并晾干,然后将铝箔平整地粘贴在样品保持架上,如
将准备好的铝箔样品固定在移动平台上,利用CCD相机调整样品位置,然后在软件前面板进行轨迹规划和快门状态设定,设置好具体加工参数(移动平台扫描速度、加速度、快门延时、阵列数目及单元周期等)。采用厚度为10 μm的铝箔作为加工对象,加工过程中用压缩氮气清洁残渣并冷却材料。对于加工系统而言,可调节的加工参数主要为激光脉冲能量、平台扫描速度以及快门操作延时补偿。经过大量加工实验,最终选用的优化加工参数为:激光波长800 nm,脉宽45 fs,重复频率1 kHz,脉冲能量10 μJ,平台扫描速度0.5 mm/s,快门操作补偿时间20 ms。影响FSS性能的因素主要有单元结构的类型、单元的结构参数、单元周期排布形式、材料参数等,需要考虑各参数的影响进行综合设计[7]。选取常用的十字型单元结构,利用FDTD设计了三组FSS滤波器,其结构及排布形式如
图 4. FSS滤波器样品3。(a)样品实物照片;(b)样品局部显微照片
Fig. 4. Photographs of sample 3. (a) Sample picture; (b) local microscopic image of sample
3 透射式太赫兹时域光谱系统
利用自主搭建的TDTS系统测量了上述太赫兹滤波器样品。为了降低实验环境相对湿度,向实验所用太赫兹系统与样品腔中充满氮气,以降低水分子对太赫兹辐射的吸收,环境温度为25 ℃。实验所用的TDTS系统如
4 实验结果和讨论
采用上述TDTS系统对制备的三组样品进行透射率测量,如
三组滤波器样品的结构参数和滤波性能的对比如
表 1. 三个滤波器的结构参数与主要性能参数
Table 1. Structural parameters and major performance parameters of three filters
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图 6. 三组样品的实验与仿真结果。(a)(d)样品1;(b)(e)样品2;(c)(f)样品3
Fig. 6. Experimental and simulated results from three groups of samples. (a)(d) Sample 1; (b)(e) sample 2; (c)(f) sample 3
5 结论
利用飞秒激光微加工系统,在铝箔上加工了基于FSS的无衬底太赫兹滤波器。利用TDTS系统研究了太赫兹滤波器的频率响应特性。实验结果表明,滤波器中心频率处的透射率达到85%以上,与FDTD理论仿真结果高度吻合,达到商用太赫兹滤波器水平。相比于传统光刻工艺,飞秒激光微加工具有工艺简单、制备成本低的优势,在太赫兹器件制备领域具有很大的应用潜力。
[7] 薛超敏, 刘建胜, 郑铮, 等. 太赫兹滤波器[J]. 激光与光电子学进展, 2008, 45(1): 43-49.
[8] Munk BA. Frequency selective surfaces: Theory and design[M]. New York: John Wiley & Sons Inc., 2000: 1- 2.
[11] Li J, Shah C M, Withayachumnankul W. et al. Mechanically tunable terahertz metamaterials[J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(12): 121101.
[12] 王文涛, 刘建军, 洪治. 基于三个方形封闭谐振环的多频带太赫兹滤波器[J]. 光学学报, 2013, 33(3): 0323001.
[14] 张新群, 赵国忠, 王佳. 太赫兹波段金属矩形孔高通滤波器[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(8): 082302.
[15] 南雪莉, 张斌珍, 崔建利, 等. 一种近方脊滤波器的设计与快速制造[J]. 红外与毫米波学报, 2017, 36(1): 30-34.
[17] 曹小文, 张雷, 于永森, 等. 飞秒激光制备微光学元件及其应用[J]. 中国激光, 2017, 44(1): 0102004.
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高炳攀, 林炎章, 陈盈, 陈燕青, 王向峰. 飞秒激光微加工制备无衬底太赫兹带通滤波器[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(2): 021415. Bingpan Gao, Yanzhang Lin, Ying Chen, Yanqing Chen, Xiangfeng Wang. Substrateless Terahertz Band-Pass Filters Fabricated by Femtosecond Laser Micro-Machining[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(2): 021415.
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