1 引言

随着飞秒脉冲激光技术的发展,已实现在室温条件下产生宽辐射带宽、高强度、高信噪比的太赫兹电磁辐射,并且,太赫兹技术已广泛应用于材料成分识别、生物样品测试、疾病预防筛查、三维成像、航天通信等领域^[1-5]。尽管各类商品化的太赫兹仪器已日益成熟^[6-7],但太赫兹辐射参数的绝对计量却仍进展缓慢,从而导致了“计量学上的太赫兹空白”^[8]。现有的太赫兹计量仪器的量值无法溯源至国际单位制,无法对测量结果的准确度和有效性进行评估。

近年来,国际计量研究机构已意识到了太赫兹计量的关键性和紧迫性。2011年,美国标准技术研究院(NIST)的Lehman等^[9]研制了一种碳纳米管阵列材料,该材料在0.76 THz频率下的反射比可达0.99,他们还以该材料作为吸收体研制了太赫兹功率计,通过电校准来确定功率计的响应度量值。2014年,德国物理技术研究院(PTB)的Müller等^[10]利用NG1中性灰玻璃作为体吸收材料,并在其反面镀金实现两次吸收,对频率为2.52 THz的电磁辐射进行量值溯源,将太赫兹功率溯源至激光功率基准^[11]。2013年,中国计量科学研究院(NIM)的Deng等^[12]对自主研制的太赫兹辐射计进行改进,制作了两个完全一致的辐射计吸收腔,形成一对孪生补偿结构,该辐射计在2.52 THz和0.762 THz合成的标准相对不确定度分别为1.35%和1.50%^[13]。

太赫兹波长是可见光波长的几百倍,许多样品的前表面会在太赫兹波段产生强烈的反射,因此,在太赫兹波段吸收率高且吸收光谱宽而平坦的材料制备成为太赫兹辐射功率准确计量的难点。

2 吸波机理与吸收率的测量方法

吸波材料通过将太赫兹波转换为热能、电能、机械能或其他形式的能,实现对入射太赫兹波的有效吸收^[14]。吸波材料的吸收性能可通过反射损耗R来评估^[15]。

吸波涂层的反射系数Γ为

Γ=Z-Z0Z+Z0,(1)

其中,

Z=Z0μrεrtanhi2πfdcμrεr,(2)

式中:Z₀为自由空间的阻抗;Z为电磁波入射时材料的特征阻抗;f为入射电磁波的频率;d为吸波材料的厚度;c为真空中电磁波的传播速率;μ_r为复介电常数;ε_r为复磁导率。

在得到反射系数以后,即可求得反射损耗为

R=20lgΓ=20lgZ-Z0Z+Z0。(3)

根据(3)式可知,为了提高混合涂层对太赫兹的吸收效率,需要考虑两个因素:一是使进入到材料内部的太赫兹波最大限度地衰减,转化为热能,可以通过复介电常数和复磁导率寻找适用于制作涂层的材料^[16];二是使入射的太赫兹波最大限度地进入到混合涂层的内部,减少在涂层表面的直接反射。

样品在太赫兹波段的光谱吸收率A(f)为

A(f)=1-T(f)-R(f),(4)

式中:T(f)为样品在太赫兹波段的光谱透射率;R(f)为样品在太赫兹波段的光谱反射率。

只要测得样品在太赫兹波段的光谱透射率和光谱反射率,即可得到吸收率。在测试样品时,将样品喷涂在金属铝镜上。选择金属铝镜作为涂层的基底,是因为它在太赫兹波段具有较高的反射率,铝在太赫兹波段的反射率约为99.6%。太赫兹无法穿透金属铝镜,即(4)式中的T(f)=0。因此,(4)式中的吸收率可简化为

A(f)=1-R(f)。(5)

因此,只需要得到样品的反射率,即可通过(5)式计算出样品在太赫兹波段的吸收率。

3 仿真与分析

3.1 吸波材料的仿真结果

利用CST(computer simulation technology)微波工作室对部分常见的可见光吸波材料进行仿真。选用石墨、碳化硅、3M黑漆、二氧化硅等材料,在理想情况下进行仿真。在太赫兹波无法穿透的金属基底上(忽略粗糙度的影响)覆盖足够厚度的对应材料,本文覆盖的材料厚度为800 μm。仿真结果如图1所示。每种材料都有一个反射截止频率,当频率低于截止频率时,样品的反射率急剧升高;当频率高于截止频率后,样品的反射率急剧下降。由图1可知,在0.5~2.0 THz频段,二氧化硅的反射率可达0.9以上,碳化硅的反射率可达0.5以上,3M黑漆的反射率不足0.2。

图 1. 常见吸波材料在太赫兹波段的反射率

Fig. 1. Reflectance of common materials in terahertz band

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3.2 混合涂层的仿真结果

反射率与入射波长及样品前表面的粗糙度有关^[17]。在太赫兹波段,由于波长较大,常见的材料已不能满足反射层模型理论的要求,因此造成了反射率的升高。为了减少在涂层表面的直接反射,需要增大涂层前表面的粗糙度,可以通过制作高吸收率的碳化硅和3M黑漆混合涂层实现。

碳化硅颗粒的形状不规则,为了简化模型,在建模过程中利用球体替代碳化硅颗粒,建立的仿真模型如图2所示。

图 2. 仿真模型。(a)单元内部结构;(b)周期结构

Fig. 2. Simulation model. (a) Internal structure of unit cell; (b) periodic structure

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建模完成后,通过调节碳化硅的尺寸来模拟粗糙度的变化,以观察碳化硅尺寸对混合涂层吸收率的影响。选择3种尺寸的碳化硅颗粒,颗粒直径分别为150,200,300 μm。反射率的仿真结果如图3所示。由图3可知:混合了碳化硅颗粒的3M黑漆的反射率显著低于未加入碳化硅时的结果;同时,在不存在空间散射的情况下,碳化硅颗粒越大,混合涂层的反射率越低,说明其吸收率越高。然而,过大的碳化硅颗粒会导致涂层厚度增加,从而影响热转化效率。权衡反射率与响应时间后,选择直径为300 μm的碳化硅颗粒来制作样品。

图 3. 含不同直径碳化硅颗粒的混合涂层的反射率

Fig. 3. Reflectance of mixed coating containing different diameters of silicon carbide

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3.3 样品的制作与验证

将直径为300 μm的碳化硅颗粒与3M黑漆以一定的比例混合成悬浮液,将悬浮液喷涂在抛光的铝基底上,制作混合涂层样品,如图4所示。

图 4. 混合涂层样品

Fig. 4. Mixed coating sample

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采用1910DX3型表面粗糙度测量仪结合平移台得到矩阵数据,数据经处理后,重构样品表面的微观形貌,结果如图5所示(X为涂层横向的测量范围,Y为涂层纵向的测量范围)。截取该样品表面的不同区域,导入到如图6和图7所示的样品仿真模型中。设置基底为金属铝,根据截取区域,设置基底的长度、宽度均为600 μm,厚度为20 μm;铝层上方为黑漆。根据粗糙度仪的测量结果,利用SolidWorks软件对黑漆表面形貌进行建模,并将所建模型导入CST微波工作室。凸起区域下方存在碳化硅颗粒,同样利用SolidWorks软件,根据凸起区域,结合粗糙度仪测量结果进行建模,可得到碳化硅颗粒的模型。将碳化硅颗粒模型导入到CST微波工作室中,并置于黑漆表面下方50 μm处。

图 5. 混合涂层样品的表面形貌

Fig. 5. Mixed coating sample surface

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图 6. 混合涂层样品平坦区域的仿真模型。(a)单元内部结构;(b)周期结构

Fig. 6. Simulation model of mixed coating sample flat area. (a) Internal structure of unit cell; (b) periodic structure

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图 7. 混合涂层样品粗糙区域的仿真模型。(a)单元内部结构;(b)周期结构

Fig. 7. Simulation model of mixed coating sample rough region. (a) Internal structure of unit cell; (b) periodic structure

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对图6和图7中混合涂层样品的反射率进行仿真计算,结果如图8所示。由图8可知:在大于0.8 THz的频域范围,样品平坦区域的反射率小于0.1,并且在1.17 THz频点处存在一个吸收峰;在大于1.17 THz的频段,反射率保持在0.05以下;在大于0.2 THz的频段,样品粗糙区域的反射率小于0.1,在大于0.4 THz的频段,反射率随着频率增大而逐渐降低并趋近于0。与理想的3M黑漆的仿真结果比较后可知,利用导入模型进行仿真时,反射率明显更低,说明粗糙度产生了重要影响,样品粗糙区域的反射率曲线较平坦,且反射率总体更低。

图 8. 混合涂层样品反射率的仿真结果

Fig. 8. Simulated reflectance of mixed coating sample

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4 吸收涂层反射率的测量结果

为了通过实验验证样品在太赫兹波段的吸收率,首先,考证涂层样品在2π空间的散射特性。利用天津大学研制的360°范围内任意角度测量的太赫兹光谱仪对样品进行测量,均得到了与背景噪声几乎一致的测量结果,证明了该样品对太赫兹光波没有明显的空间散射特性。然后,采用中国计量科学研究院研制的反射式太赫兹时域光谱测量仪对样品进行测量^[11-12]。金属材料在太赫兹波段具有强烈的反射,抛光铝的反射率约为99.6%,将抛光铝镜前表面反射的太赫兹光谱作为参考谱。采用反射式太赫兹时域光谱测量仪,对混合了纵向长度分别为150,200,300 μm的碳化硅颗粒的涂层样品进行测量,测得的光谱反射率如图9所示^[12]。由图9可知:碳化硅颗粒的尺寸越大,光谱反射率就越低;混合了碳化硅颗粒的几种混合涂层在太赫兹波段的光谱反射率基本上均小于0.01,与前面的仿真结果一致;尤其是颗粒纵向长度为300 μm的混合涂层,其在0.1~3.0 THz波段的光谱反射率小于0.01,在0.3~2.7 THz波段的光谱反射比甚至小于0.001。

图 9. 测量得到的含不同直径碳化硅颗粒的混合涂层样品的反射率

Fig. 9. Measured reflectance of mixed coating samples containing different diameters of silicon carbide

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比较图8中的仿真结果和图9中的测量结果可知:仿真结果与实测结果基本吻合,在大于0.2 THz的频段有很高的吸收率;与仿真结果相比,实验结果的吸收频段更宽,且吸收率更高。这是因为实际制备的样品表面比仿真模型更粗糙且更随机,样品内部碳化硅的分布也更不规则;仿真得到的反射率在高频段都很低,而实验测得的反射率在1.0 THz以上的频段逐渐升高,原因是在1.0 THz以上的频段,太赫兹时域光谱仪测量动态范围逐渐减小,测量的光谱反射率已经达到了仪器测量的本地噪声极限,并不意味着实测的光谱反射比在1.0 THz以上的频段逐渐升高,实际反射率仍保持在很小的量值,与仿真结果一致。

5 结论

本研究对吸波材料在太赫兹波段的光谱反射率进行仿真,以探寻具有高吸收率的材料。通过仿真研究了在宽频段对太赫兹波具有高吸收率的涂层的特性,分析了表面粗糙度对涂层吸收率的影响。结果表明:增加表面粗糙度可使表面反射率明显降低。通过实验对该吸收涂层进行测量,测量结果与仿真结果基本吻合。本研究对于发展高性能太赫兹辐射计具有一定的参考价值。