[发明专利]一种太赫兹辐射转换为红外辐射的器件结构

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹探测及成像领域，具体涉及一种太赫兹辐射转换为红外辐射的器件结构的设计与制备。

背景技术

太赫兹波是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长在3mm到30μm范围，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。以前由于受到有效太赫兹源的产生和灵敏的探测技术的限制，很少涉及在太赫兹波段相关研究资料。近些年，随着新技术新材料的快速发展，太赫兹技术不但在基础科研中继续受到重视，其应用研究也引起人们的兴趣，比如安全检查、无损检测、医疗诊断及制药等化学合成过程中的应用等。与其他波相比，太赫兹波的特点有①太赫兹辐射的频率范围很宽，它几乎覆盖了各种大分子的转动频率和震荡频率；②太赫兹辐射的能量很小，只有几毫电子伏特，不容易破坏被检测的物质；③太赫兹辐射有着很高的空间分辨率和时间分辨率；④太赫兹辐射具有对某些物质的穿透性；⑤太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高。

电磁超材料也称为人工电磁材料，是指具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料，具有诸如负折射效应、反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、完美透镜等超常物理特。人们可以通过人为地设计单元结构来控制材料属性，构成自然界不存在的特殊结构材料，进而控制电磁波的传播。从理论上讲，通过对特殊结构模型的优化设计，实现等效介电常数和磁导率的完美匹配，使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配，以降低电磁波的反射；而另一端使吸收器与自由空间达到阻抗失配，使电磁波的透射很低，这样，将能实现对电磁波的高吸收。但特定结构仅对特定的频点进行谐振吸收、带宽较窄，由此增加超材料吸收器的吸收率和扩展吸收带宽的研究是很有必要的。

另外，太赫兹探测器是把太赫兹波段(30-3000μm)的电磁波辐射转化为可检测的电信号，实现对外界事物的观察，具有重要的军事和民用前景。太赫兹探测器也有多种型号，其中微测辐射热计是红外及太赫兹探测器件的重要应用之一，其工作原理主要通过悬浮的微桥结构来完成，光吸收层接受外界的太赫兹或红外辐射导致微桥温度发生变化，温度的变化导致热敏电阻薄膜的电阻发生变化，这种电学性能的变化通过电极检测，并传寄到读出电路，完成信号处理和成像。目前，太赫兹探测器的研究刚处于起步阶段，而红外探测技术已经相对成熟，能够实现高分辨率、高灵敏度探测。

综上，本发明设计一种将太赫兹辐射转换为红外辐射的器件结构，工作于太赫兹探测系统中，位于太赫兹源与红外探测器之间，将红外探测技术与超材料吸收器结合应用于太赫兹探测领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹辐射转换为红外辐射的器件结构，利用该器件结构，能够在设计的THz频点达到太赫兹波吸收率90％(带宽1THz)，并转换成红外辐射。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太赫兹辐射转换为红外辐射的器件结构，其特征在于，该结构包括透明衬底、透明衬底上依次设置的红外发射层、金属反射层和吸收层；所述吸收层由若干个“十”字型吸收单元周期性排列构成，每个吸收单元由相互交替设置的介质层和金属图形层构成，吸收单元顶层为金属图形层、与金属反射层之间为介质层。

进一步的，所述吸收单元中，每层金属图形层形状相同，尺寸不同，用以形成宽频段太赫兹吸收。更进一步的，为便于加工，通常采用金属反射层往上金属图形层尺寸递减的设计。

所述吸收单元的尺寸为10～30μm，线宽为1～3μm，特别说明的是，吸收单元的尺寸指金属反射层上第一层金属图形层的尺寸。

所述吸收单元中金属图形层数目大于等于3；金属图形层材料为金、银或铝，每层厚度为50～200nm；介质层材料为氮化硅、氧化硅或聚酰亚胺，每层厚度为1-3μm。

所述金属反射层材料为金、银或铝，厚度为50～200nm。

所述红外发射层材料为石墨，厚度为5～10μm。

所述透明衬底为玻璃或聚合物膜。

需要特别说明的是，本发明中太赫兹波吸收峰值依据设计金属图形层尺寸改变，吸收单元中每层金属层尺寸微调形成多个吸收峰值相近的太赫兹吸收谱，该多个峰叠加获得较宽频段的太赫兹波吸收；基于此，依据不同应用需求，本领域技术人员能够在本发明的基础上能够确定其吸收单元中多层金属图形层具体尺寸。