一种具有超晶格结构的光学窗口及其制备方法和对太赫兹波的调控应用技术

本发明专利技术公开了一种具有超晶格结构的光学窗口及其制备方法和对太赫兹波的调控应用，属于3D打印及太赫兹波应用技术领域。通过3D打印无模直写成型技术将具有不同流变特性的浆料制备成具有不同点阵空间结构组合的光学窗口。不同点阵空间结构形成的超晶格结构具有一个或多个光子带隙，可实现对某一频段或多频段太赫兹波的滤波和调制作用，克服了传统太赫兹波光学窗口工作频率单一的缺陷。

An Optical Window with Superlattice Structure and Its Preparation Method and Its Application in Terahertz Wave Regulation

【技术实现步骤摘要】
一种具有超晶格结构的光学窗口及其制备方法和对太赫兹波的调控应用
本专利技术涉及3D打印及太赫兹波应用
，具体涉及一种具有超晶格结构的光学窗口及其制备方法和对太赫兹波的调控应用。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz(1THz＝1012Hz)的电磁波，波长范围为3mm到30μm，介于微波和红外光之间。由于其自身独特的物理性质，使得太赫兹波在无线通信、安全检查、雷达成像、无损检测、物质鉴别以及生物医学和天文学等领域有着广阔的应用前景。太赫兹功能器件是太赫兹技术的关键器件之一，主要用来调控太赫兹的传播。由于太赫兹技术发展的不完备，材料在太赫兹频段的物理性质研究较少，已知的能够直接调控太赫兹波的材料非常少。因此，需要通过结构的设计来调控太赫兹波传播。光子晶体是由不同折射率或介电常数的介质周期性排列而成的人工微结构。由于光子晶体具有光子带隙，能够在禁带范围内阻止特定频率的电磁波在特定方向上传播。太赫兹光子晶体是指能与太赫兹波产生相互作用的光子晶体，其点阵常数与太赫兹波的波长相当，可以剧烈地影响太赫兹波的传播行为。利用光子晶体的带隙效应和缺陷效应，制备波导、滤波器、偏振器、光开关等功能器件已成为当前研究的热点之一。传统的光子晶体具有单一的晶格常数，在应用方面仍然受到了很大的限制。光子晶体超晶格具有两种或多种不同的晶格常数，其光子带隙具备一种或多种带隙，带隙位置和带隙深度的可调性较高，在制备复杂功能的太赫兹光电器件方面有着巨大的应用潜力。相比于微波，太赫兹波的波长更短，太赫兹波功能器件的尺寸更小，结构也更复杂。传统的制备微波器件的方法已经无法满足太赫兹波功能器件的制备要求。基于无模直写成型的3D打印技术，可实现特征尺寸为亚微米到数毫米的复杂三维结构的制备，为太赫兹波器件的制备加工提供了一种快捷可靠的途径。现有的研究表明，将3D打印技术应用于光子晶体的制备领域，利用3D打印无模直写成型技术将能较为灵活的实现太赫兹波光子晶体的制备，但基于光子晶体理论的传统太赫兹波光学窗口往往对太赫兹波的调制能力较低，往往只能存在单一频率波段的调制，不利于太赫兹波光学技术的进一步发展。如果从光子晶体理论出发，对光学窗口的三维周期性结构进一步创新组合，将有望获得新型的光子晶体结构，从而获得调制性能更为强大的光学窗口，从根本上推动新型太赫兹波光学窗口的实现与突破。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有超晶格结构的光学窗口及其制备方法和对太赫兹波的调控应用。通过3D打印无模直写成型技术将具有不同流变特性的浆料制备成具有不同点阵空间结构组合的光学窗口。不同点阵空间结构形成的超晶格结构具有一个或多个光子带隙，可实现对某一频段或多频段太赫兹波的滤波和调制作用，克服了传统太赫兹波光学窗口工作频率单一的缺陷。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种具有超晶格结构的光学窗口，该光学窗口是由具有不同点阵参数的木堆结构交替堆叠形成周期性的超晶格结构，交替堆叠的方式为逐层交替叠加、每两层交替叠加或每四层交替叠加。所述超晶格结构由介电复合材料堆叠而成，所述介电复合材料是由陶瓷粉末材料与母体材料混合而成；所述陶瓷粉末材料为Al2O3、TiO2、VO2、ZrO2、BaTiO3、BaSrTiO3、MgTiO3和SrTiO3中的一种或几种，所述母体材料为硅胶或树脂；所述介电复合材料中陶瓷粉末材料的含量为5-100wt.％。所述交替堆叠方式不同，则得到的超晶格结构的带隙结构不同；改变不同点阵参数的木堆结构交替堆叠的周期数和/或介电复合材料中陶瓷粉末材料的含量，能够得到不同的带隙深度。当超晶格结构中两种或三种木堆结构的点阵参数相差在10％以内时，形成的超晶格结构的光子带隙为一个宽带隙，该宽带隙覆盖了原来的带隙，并且带隙深度更深；当超晶格结构中两种或三种木堆结构的点阵参数相差大于10％时，形成的超晶格结构具有一个双带隙或三带隙，其带隙位置与原带隙基本一致。所述的具有超晶格结构的光学窗口的制备方法为：首先制备介电复合浆料，然后通过3D打印无模直写技术直接成型制备具有不同点阵空间结构组合的超结构光学窗口。该方法具体包括如下步骤：(1)介电复合浆料配制：将陶瓷粉末材料加入母体材料中并混合均匀，调配成可挤压成型的介电复合浆料，装入料筒中待用；所述介电复合浆料中陶瓷粉末材料的含量为5-100wt.％；该介电复合浆料经步骤(3)的热处理成型后，固化为介电复合材料。(2)超晶格结构构造：将步骤(1)配制好的介电复合浆料采用3D打印无模直写方式直接成型，形成具有不同点阵空间结构组合的三维周期性超晶格结构；(3)固化成型：将打印好的超晶格结构进行热处理成型。上述步骤(2)中，所述3D打印无模直写成型方式直接成型的过程为：首先用G代码编写三维超晶格结构打印程序；设置并调整打印参数；再按照三维结构路径打印成超晶格结构。上述步骤(2)中，编写三维超晶格结构时，介质棒间距设定为30-1000μm，总层数4层以上；打印针头直径10-500μm。上述步骤(3)中，所述固化成型是指，将打印好的超晶格结构在60-100℃热固化处理2-10小时。所制备的超晶格结构具有一个或多个光子带隙，应用于对某一频段或多频段太赫兹波的滤波和调制作用。本专利技术的优点和有益效果如下：1、本专利技术通过3D打印无模直写成型技术制备具有超晶格结构的光学窗口。通过对结构参数的灵活设计和打印参数的调整，可以方便的制备不同结构参数的超晶格结构以适应不同的工作频段。2、本专利技术制备的超晶格结构具有一个或多个光子带隙，可实现对某一频段或多频段太赫兹波的滤波和调制作用。附图说明图1为实施例1制备的超晶格结构的示意图，该超晶格结构下4层的介质棒直径为210μm，间距为700μm，上4层的介质棒直径为210μm，间距为900μm；其中：(a)为超晶格结构的正面；(b)为超晶格结构的侧面示意图。图2为对比例1中周期分别为700μm和900μm的4层木堆结构光子晶体叠加形成的超晶格结构的光子带隙与单周期光子晶体带隙对比图。介质棒的直径均为210μm。图3为对比例2中周期分别为500μm、550μm和600μm的4层木堆结构光子晶体叠加形成的超晶格结构的光子带隙与单周期光子晶体带隙对比图。介质棒的直径均为150μm。图4实施例3中介质棒间距分别为700μm和900μm按照逐层交替叠加方式形成的8层超晶格结构的光子带隙图。介质棒的直径均为210μm。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术作进一步的说明。对比例11.称取三氧化二铝粉7g，加入到3g道康宁SE1700硅胶中，搅拌均匀，得到三氧化二铝含量为70wt.％的浆料，并将浆料装入10mL料筒中待打印。2.编写木堆结构3D打印程序，介质棒间距设定为700μm，层数设定为4层，选择直径210μm的针头，挤出压力设定为60psi，打印速度为10mm/s，逐层打印得到预成型的周期为700μm的光子晶体。3.按照步骤2的方法，将介质棒间距设定为900μm，打印得到预成型的周期为900μm的光子晶体。4.将预成型的单周期光子晶体进行2小时80℃的热固化处理。5.对周期分别为700μm和900μm的单周期光子晶体进行太赫兹时域光谱测试，经过快速傅立叶变换后得到其光子带隙图，如图2。介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有超晶格结构的光学窗口，其特征在于：该光学窗口是由具有不同点阵参数的木堆结构交替堆叠形成周期性的超晶格结构，交替堆叠的方式为逐层交替叠加、每两层交替叠加或每四层交替叠加。

【技术特征摘要】
1.一种具有超晶格结构的光学窗口，其特征在于：该光学窗口是由具有不同点阵参数的木堆结构交替堆叠形成周期性的超晶格结构，交替堆叠的方式为逐层交替叠加、每两层交替叠加或每四层交替叠加。2.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的光学窗口，其特征在于：所述超晶格结构由介电复合材料堆叠而成，所述介电复合材料是由陶瓷粉末材料与母体材料混合而成；所述陶瓷粉末材料为Al2O3、TiO2、VO2、ZrO2、BaTiO3、BaSrTiO3、MgTiO3和SrTiO3中的一种或几种，所述母体材料为硅胶或树脂；所述介电复合材料中陶瓷粉末材料的含量为5-100wt.％。3.根据权利要求2所述的具有超晶格结构的光学窗口，其特征在于：所述交替堆叠方式不同，则得到的超晶格结构的带隙结构不同；改变不同点阵参数的木堆结构交替堆叠的周期数和/或介电复合材料中陶瓷粉末材料的含量，能够得到不同的带隙深度。4.根据权利要求1所述的具有超晶格结构的光学窗口，其特征在于：当超晶格结构中两种或三种木堆结构的点阵参数相差在10％以内时，形成的超晶格结构的光子带隙为一个宽带隙，该宽带隙覆盖了原来的带隙，并且带隙深度更深；当超晶格结构中两种或三种木堆结构的点阵参数相差大于10％时，形成的超晶格结构具有一个双带隙或...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琦，杨炜沂，王荣，朱朋飞，鞠小晶，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21