[發明專利]基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜、制備方法及使用方法

有效

• 申請號: 201410222152.6
• 申請日: 2014-05-23
• 公開（公告）號: CN103984051A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 徐新龍;周譯玄;任兆玉;白晉濤
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: G02B5/08
• 分類號: G02B5/08;G02B1/10
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 林兵

技術領域

本發明屬于太赫茲波段器件技術領域，具體是一種基于石墨烯的太赫茲波減反射膜、制備方法及使用方法。

背景技術

太赫茲(Terahertz，簡稱THz)是電磁波的頻率單位，1太赫茲等于1012赫茲。太赫茲波的是指0.3THz到10THz范圍的電磁波，對應波長范圍從0.03mm到1mm。太赫茲波段有較高的空間分辨率(高頻率)和時間分辨率(皮秒脈沖)，能量較小不會破壞物質，而且是生物大分子的振動、轉動的共振頻段。這些特性使其在例如寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文、無損檢測、醫學成像、安全檢查等領域有潛在的應用前景。80年代之前，受到太赫茲波產生源和探測器的限制，涉及這一波段的研究和應用非常少。隨著之后新技術(超快技術)，新材料的發展，使得太赫茲技術得到迅速發展。目前，太赫茲技術的研究以及應用開發正成為光學領域研究的熱點。然而，高性能的新型太赫茲器件(例如發射源，探測器，調制器，分束器，色散光學元件，寬帶透射窗口等)仍然亟待設計，以提高太赫茲技術的應用效率。由于菲涅爾效應，在這些元器件的接觸界面上會產生多次反射，從而引起雜散光，干擾測量中的太赫茲脈沖，導致在頻域產生干涉，降低光譜的分辨率，導致有用信息被掩蓋。

減反射膜(antireflection?coating)是一種功能性薄膜，目標是減少或者消除光電元件表面或內部的反射光。在可見、紅外光波段，減反射膜是一種應用最廣，需求最大的光學薄膜，也稱為增透膜。主要功能是增加光學元件(例如透鏡，棱鏡，平面鏡等)的透光量，減少或者消除系統的雜散光。典型的光學減反射膜為鍍在光學元件表面的一層低折射率材料(折射率設為)，作用原理基于光波的干涉效應。當膜層的光學厚度(折射率與實際厚度的乘積)為透過光波長的四分之一，膜上反射的光與膜內部反射的光的光程差滿足干涉相消條件，這時實現減反射效果。膜層折射率的最佳條件為(和分別為空氣和光學元件的折射率)，這時內外反射的兩束光的振幅可以達到相等，所以可以實現完全消除反射。

在太赫茲波段，如果使用光學波段的干涉原理制作減反射膜，那么對應0.03到1mm的波長范圍，減反射膜的厚度范圍應該從0.025到0.25mm。這有兩個缺點，首先，因為這個波段的波長相對于可見波段長很多，所以減反射膜的需求厚度太厚，不利于膜的制備以及應用。第二，在太赫茲波段，我們常常需要寬波段的太赫茲信號(例如太赫茲時域光譜系統的脈沖是寬波段的，通?？梢詮牧泓c幾個太赫茲覆蓋到幾個太赫茲)，然而對應于不同波段需要的減反射膜的厚度相差太大，所以這種膜不能實現寬波段減反射。

在太赫茲波段，可以使用阻抗匹配(Impedance?matching)的原理來實現減反射膜。阻抗匹配是微波電子學中的技術名詞，指的是信號源或者傳輸線與負載之間的一種搭配方式，通過這種方式可以使微波信號全部傳播到負載上，避免反射回源點，從而影響器材本身的工作狀態。在太赫茲波段使用阻抗匹配原理制作減反射膜，對應的原理為：假設一層電導率為σ_film、厚度為d的膜覆蓋在折射率為n_sub的光學元件表面上，這層膜的厚度很薄，遠遠小于透射太赫茲波的波長。那么在空氣/膜/元件界面上，從元件內部向空氣方向傳播的太赫茲波在界面上的反射系數為r_sub/film/air＝(n_sub-n_air-Z₀σ_filmd)/(n_sub+n_air+Z₀σ_filmd)，這里Z₀為真空阻抗。所以，當這層膜的薄層電導(等于電導率與厚度的乘積σ_filmd)滿足σ_filmd＝(n_sub-n_air)/Z₀時，可以得到反射系數等于0，這時滿足阻抗匹配關系，元件內部反射可以完全消除。當膜的薄層電導比阻抗匹配數值小的時候，反射系數是正數，得到與原始波同相位的反射波；而當膜的薄層電導比阻抗匹配數值大的時候，反射系數是負數，意味著反射波的相位發生了π反轉。