利用金屬薄膜產生并增強太赫茲波信號強度的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波源產生技術領域，特別是涉及一種利用金屬薄膜產生太赫茲并增強太赫茲波信號強度的方法。
【背景技術】
[0002]利用納米結構的金屬薄膜提高飛秒激光與金屬相互作用效率，產生出高能太赫茲超連續(xù)譜，而后通過邁克爾遜干涉系統(tǒng)相干測量出其時域波形；實驗測定了釕、鉑、金和鈦四種金屬薄膜所輻射的太赫茲波的波束分布為類偶極輻射狀，輻射強度隨入射光強的提高而增強。最終實驗測得釕金屬薄膜在氮氣中可輻射產生單脈沖能量最高為66.31yj(能量轉換效率?10-2)，頻譜覆蓋為0.25-150THZ的高能太赫茲超連續(xù)譜。該結果為目前所能查到的資料中，金屬樣品輻射產生太赫茲波能量最高，頻譜覆蓋最寬的實驗。另外，利用金屬釕和鉑產生太赫茲波，它們可產生出能量為60yJ，頻譜覆蓋10THz以上的太赫茲超連續(xù)譜;并提出電子加速運動模型為金屬薄膜產生太赫茲超連續(xù)譜的主要機制，其輻射場強與自由電子密度、速度和加速度有關。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提供一種利用金屬薄膜產生并增強太赫茲波信號強度的系統(tǒng)和方法，用以實現(xiàn)具有系統(tǒng)構成簡單、購買和維護成本較低和穩(wěn)定性較高的能增強太赫茲波信號強度的目的。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用金屬薄膜產生并增強太赫茲波信號強度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括激光器、斬波器、太赫茲波探測器、衰減片、凸透鏡、金屬薄膜、氣室和硅片，其中:
[0005]激光器、斬波器、衰減片、凸透鏡、氣室、硅片、太赫茲波探測器依次設置在光路上，金屬薄膜設置在氣室內的亞波長陣列孔結構氧化物模板上，激光器產生的飛秒激光通過斬波器進行斬波后，再經過衰減片，最后由凸透鏡聚焦在亞波長陣列孔結構氧化物模板上的金屬薄膜上，獲得太赫茲輻射源;其中氣室內的氣體種類和壓強均可調節(jié)，從氧化物模板出射的太赫茲輻射源，投射到硅片上，并由太赫茲波探測器接收。
[0006]進一步地，所述激光器為飛秒激光放大器或飛秒激光振蕩器。
[0007]進一步地，所述太赫茲波探測器為熱釋電探測器或高萊探測器。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用金屬薄膜產生太赫茲并增強太赫茲波信號強度的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、飛秒激光通過頻率為15-20HZ的斬波器進行斬波后，再經過衰減片，最后由透鏡聚焦在亞波長陣列孔結構氧化物模板上的金屬薄膜上，獲得太赫茲輻射源，其中氣室內的氣體種類和壓強均可調節(jié);從氧化物模板出射的太赫茲輻射源，投射到450μπι厚的硅片上，并由太赫茲波探測器接收，其中，激光器、斬波器、衰減片、凸透鏡、氣室、硅片、太赫茲波探測器依次設置在光路上，金屬薄膜設置在氣室內的亞波長陣列孔結構氧化物模板上；
[0010]步驟二、改變氣室內氣體的種類和壓強，獲得金屬薄膜產生太赫茲輻射場強與金屬薄膜種類，金屬薄膜所在氣體的種類和金屬薄膜所在氣體壓強的關系。
[0011]進一步地，所述金屬薄膜的材質分為多種，其制備方法是利用磁控濺射的方法將舒、鉑、金、鈦、銀或鈀金屬鍍在有亞波長結構的基底材料上制備成表面具有1nm量級粗糙度的金屬薄膜。
[0012]進一步地，所述氣室的直徑為220mm，長度為161mm，高度為360.90mm，前窗為直徑38.1mm、5mm厚的石英板，后窗為直徑50.8mm、4.5mm厚的娃片，所述氣室連接有氣體稀釋系統(tǒng)，氣體稀釋系統(tǒng)將純的氣體沖到氣室中或從氣室中導出，實現(xiàn)氣室中的壓強的精準控制。
[0013]進一步地’所述氣體的種類為也’他’他^^^或其它穩(wěn)定氣體。
[0014]釕(Ru)金屬薄膜在常壓氮氣中可輻射產生單脈沖能量最高為66.31yj，該結果為目前所能查到的資料中，金屬樣品輻射產生太赫茲波能量最高的實驗。有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術問題是探究金屬薄膜產生太赫茲，其輻射場強與金屬薄膜種類，金屬薄膜所在氣體的種類和金屬薄膜所在氣體壓強的關系，并且本發(fā)明中的多種方案會和鍍釕金屬薄膜在常壓氮氣(N2)中產生的太赫茲輻射場強進行對比，最終得出最優(yōu)方案，提供一種具有系統(tǒng)構成簡單、購買和維護成本較低和穩(wěn)定性較高的能增強太赫茲波信號強度的系統(tǒng)以及方法。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為本發(fā)明的實驗裝置示意圖；
[0017]圖2a為厚度為200nm的亞波長陣列孔結構氧化物模板(即金屬薄膜)示意圖；
[0018]圖2b為厚度為500nm的亞波長陣列孔結構氧化物模板(即金屬薄膜)示意圖；
[0019]圖3a為鍍釕(Ru)金屬薄膜分別在充滿He，Ne，N2，Ar氣體中，隨著氣體壓強增大，太赫茲福射強度變化的不意圖；
[0020]圖3b為鍍鉑(Pt)金屬薄膜分別在充滿He，Ne，N2，Ar氣體中，隨著氣體壓強增大，太赫茲福射強度變化的不意圖；
[0021]圖3c為鍍金(Au)金屬薄膜分別在充滿He，Ne，N2，Ar氣體中，隨著氣體壓強增大，太赫茲輻射強度變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023]本發(fā)明中制備亞波長陣列孔結構氧化物模板，具體方法為:
[0024]S1、把純度為99.99 %的金屬片按照實際需要裁成一定尺寸的基片，經過丙酮超聲清洗去除表面的油污，然后用去離子水沖洗干凈;再經過無水乙醇的清洗烘干后放在真空度為2 X 10—4Pa真空退火設備中持續(xù)退火5.5小時，最后自然冷卻；
[0025]S2、在體積比為1:4的高氯酸和無水乙醇的混合溶液中，控制溫度保持在0°C，電壓為18V，電流為2mA的條件下，對所述金屬片進行拋光3分鐘，以去除金屬片表面的劃痕和氧化層；
[0026]S3、將金屬片作為陽極，鉑金片作為陰極。在0.3g/mol草酸溶液中進行一次通電氧化，氧化環(huán)境溫度為0°C，恒定電壓45V，氧化時間為6.2小時，得到基底；
[0027]S4、在環(huán)境溫度為18°C條件下，將所述基底放在由400ml的純凈水、22.5ml的磷酸和6g三氧化鉻配置而成的鉻酸溶液中反應13小時，去除在金屬片表面生成的一次氧化物；將去除一次氧化物后的基底放在所述鉻酸溶液中進行二次通電氧化，氧化時間為15分鐘，反應后去除氧化物時間為2小時，然后再將基底放入0.3g/mol草酸溶液中，反應時間為5分鐘；
[0028]S5、將由S4處理后的60μπι厚基片上制備孔徑為200nm、孔間距390nm以及孔深為10-25μπι的亞波長孔陣列，得到亞波長陣列孔結構氧化物模板見圖2a和圖2b;利用磁控濺射的方法將貴金屬鍍在亞波長陣列孔結構氧化物模板上，制備成表面具有1nm量級粗糙度，厚度為200nm的金薄膜的亞波長孔陣列結構氧化物模板；
[0029]所述金屬片的材料為鋁、鋅、鉛、鈦的單質或者鋁、鋅、鉛、鈦的氧化物;所述貴金屬為舒、鈾、金、鈦、或銀鈀。
[0030]本發(fā)明提供一種增強太赫茲波信號強度的系統(tǒng)和方法，包括以下步驟:
[0031]工作原理:經過圖1所示的光路圖，其中本實施例中使用的激光器為美國Spectra-Physics公司生產的飛秒激光振蕩器Mai Tai。它可產生的激光脈沖的重復頻率80MHz，脈寬為10fs，中心波長800nm，最高輸出功率3W，通過頻率為15Hz的斬波器進行斬波后，再經過衰減片將其功率控制在500mW左右，最后由焦距為150mm透鏡聚焦在200nm厚金屬薄膜上，獲得太赫茲輻射源。其中金屬薄膜放在氣室內，氣室內氣體種類和壓強均可調節(jié)。從氧化物模板出射的太赫茲輻射源，投射到硅片上，并用高萊探測器接收。
[0032]實驗例:
[0033](I)將鍍釕(Ru)金屬薄膜分別放在充滿He，Ne，N2，Ar的氣室中，通過調節(jié)氣室的進氣排氣 P，改變氣體的壓強至3，10，30，50，80，100，200，300，400，500,1000,3000，5000，7000，10000，12000，14000，16000，18000，20000，30000，60000，80000，100000，105000，110000，115000，120000，125000，130000，135000，140000，145000，150000pa，并通過高萊探測器對太赫茲波能量進行檢測。取各個壓強下的能量平均值做點繪制在圖3a上，將作出的圖像進行歸一化處理，取釕(Ru)金屬薄膜在常壓氮氣(N2)中輻射的信號強度為I，之后的多種方案將會和這一值進行對比，即和壓強在10000pa時，N2中的數據平均值進行對比，具體見圖3a所示。
[0034](2)將鍍鉑(Pt)金屬薄膜分別放在充滿He，Ne，N2，Ar的氣室中，通過調節(jié)氣室的進氣排氣 P，改變氣體的壓強至3，10，30，50，80，100，200，300，400，500,1000,3000，5000，7000，10000，12000，14000，16000，18000，20000，30000，60000，80000，100000，105000，110000，115000，120000，125000，130000，135000，140000，1