本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)、飛秒激光微加工和電磁波傳輸領(lǐng)域，特別是一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

太赫茲（terahertz，thz），一般指波段位于0.1thz的毫米波和10thz的遠(yuǎn)紅外線之間的電磁波。太赫茲波具有不同于微波、紅外和x射線等電磁波的特點(diǎn)，太赫茲波在寬帶移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)、物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等方面具有顯著的研究?jī)r(jià)值。相比于太赫茲理論的迅速發(fā)展，太赫茲濾波器的加工技術(shù)則進(jìn)展緩慢。主要原因是太赫茲波長(zhǎng)短（30um-3000um），而器件結(jié)構(gòu)尺寸通常要比波長(zhǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這導(dǎo)致其器件對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸很小，難以加工。

頻率選擇表面（frequencyselectivesurface），簡(jiǎn)稱為fss，是一種二維周期陣列結(jié)構(gòu)。它由在金屬板上周期性排列的孔隙單元或者周期性排列的金屬貼片單元組成的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，可以由單層結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)組成。頻率選擇表面對(duì)于特定頻段的電磁波具有較好的選擇性，根據(jù)頻率選擇表面的通帶和阻帶特性，電磁波從頻率選擇表面的一側(cè)入射時(shí)，通帶內(nèi)的電磁波將透射，通帶外的電磁波將被反射。

現(xiàn)有的太赫茲頻率選擇表面加工方法主要有數(shù)控加工、納秒激光加工、光刻加工、模板沉積技術(shù)和噴墨打印技術(shù)。然而納秒激光加工具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)以及機(jī)械加工產(chǎn)生的形變問(wèn)題，這兩種方法加工出來(lái)的太赫茲濾波器尺寸精度較低，性能較差。光刻技術(shù)可以獲得幾微米到納米級(jí)的金屬線寬度，并且樣品均勻性好，但制作過(guò)程復(fù)雜，所需設(shè)備價(jià)格高昂。模板沉積技術(shù)也能獲得高加工精度，金屬通過(guò)模板的孔結(jié)構(gòu)直接沉積在基底上，不需要光刻工藝，從而避免化學(xué)污染，但是模板的制作仍然需要采用光刻加工方法。噴墨打印不需要制作掩膜版或模板，很大程度簡(jiǎn)化加工過(guò)程，但是最小金屬線寬受到限制。

隨著超快激光（尤其是飛秒激光）的發(fā)展，這種情況正在逐步改善。飛秒激光由于脈寬極短，即使單脈沖能量?jī)H為微焦量級(jí)，也很容易通過(guò)聚焦的方式獲得超過(guò)1015w/cm2的功率密度，這強(qiáng)度足以使原子發(fā)生電離。同時(shí)飛秒激光在與材料相互作用的過(guò)程中，能在極短的時(shí)間內(nèi)將能量作用在極小的區(qū)域，具有能量高度集中、熱影響區(qū)小、無(wú)飛濺無(wú)熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無(wú)后續(xù)工藝、雙光子聚合等特點(diǎn)。因此，與納秒激光等主要依賴熱效應(yīng)的長(zhǎng)脈沖激光加工機(jī)制不同，飛秒激光對(duì)材料的加工處理屬于“冷”加工，在精密加工方面擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是一種性能極佳的微加工光源。

本設(shè)計(jì)提供了一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工方法。本方法能用于太赫茲波段的高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器、帶通濾波器、偏振器等器件加工。這種加工方法與已有的方法相比，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明將以十字結(jié)構(gòu)太赫茲帶通濾波器為例進(jìn)行說(shuō)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)及方法，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)，包括飛秒激光器、光闌、能量衰減模塊、快門(mén)、二向色鏡、ccd相機(jī)、單筒鏡頭、移動(dòng)平臺(tái)、同軸光源、物鏡以及計(jì)算機(jī)；所述飛秒激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)所述光闌、能量衰減模塊、快門(mén)、二向色鏡、物鏡聚焦在固定于所述移動(dòng)平臺(tái)上的樣品上得到一聚焦光斑；加工過(guò)程中使用所述同軸光源發(fā)光經(jīng)所述物鏡聚焦照亮加工位置，其反射光經(jīng)過(guò)所述單筒鏡頭照射到所述ccd相機(jī)上成像并在所述計(jì)算機(jī)上顯示，用以輔助調(diào)整聚焦光斑質(zhì)量并實(shí)時(shí)觀察加工質(zhì)量；所述能量衰減模塊包括λ/2波片以及格蘭棱鏡，所述樣品為鋁箔；所述快門(mén)用以控制激光通斷。

進(jìn)一步地，所述鋁箔的厚度為10μm。

進(jìn)一步地，所述物鏡為高數(shù)值孔徑物鏡。

進(jìn)一步地，所述聚焦光斑的大小為10μm。

進(jìn)一步地，所述鋁箔先壓平后粘貼在平板上，所述平板通過(guò)壓板和螺釘固定在所述移動(dòng)平臺(tái)上，所述移動(dòng)平臺(tái)為三軸移動(dòng)平臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述激光的波長(zhǎng)為800nm，脈寬為45fs，重復(fù)頻率為1000hz。

較佳的，本發(fā)明還提出了一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)的方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：將所述鋁箔壓平并粘貼在中空的方框上，利用壓板與螺釘將平板固定在所述移動(dòng)平臺(tái)上；

步驟s2：利用λ/2波片配合格蘭棱鏡調(diào)整激光脈沖能量至所需大小，通過(guò)高數(shù)值孔徑物鏡將激光聚焦到鋁箔表面；

步驟s3：加工過(guò)程中使用所述同軸光源發(fā)光經(jīng)物鏡聚焦照亮加工位置，其反射光經(jīng)過(guò)單筒鏡頭照射到ccd相機(jī)上成像并在計(jì)算機(jī)上顯示，輔助調(diào)整聚焦光斑質(zhì)量并實(shí)時(shí)觀察加工質(zhì)量；

步驟s4：利用labview程序控制移動(dòng)平臺(tái)，加工出具有微米量級(jí)的周期性十字結(jié)構(gòu)頻率選擇表面；

步驟s5：利用移動(dòng)平臺(tái)將樣品移動(dòng)到第二個(gè)待加工的頻率選擇表面單元，重復(fù)步驟s1至s4，直到完成整個(gè)頻率選擇表面的加工。

進(jìn)一步地，所述步驟s4中，材料的加工方法包括挖除法以及燒蝕法；所述挖除法為：沿十字邊沿切割，將十字挖掉；所述燒蝕法為：將樣品表面置于偏離焦點(diǎn)位置，或者通過(guò)調(diào)節(jié)入射光束直徑改變焦斑大小，移動(dòng)平臺(tái)燒蝕掉十字的一條邊，隨后燒蝕另外一條邊。

本發(fā)明通過(guò)飛秒激光配合高精度移動(dòng)平臺(tái)直接在鋁箔上加工出太赫茲頻率選擇表面。飛秒激光憑借其固有的超短和超強(qiáng)特性，較傳統(tǒng)的脈沖激光在微精細(xì)加工方面具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如無(wú)熱擴(kuò)散，非熱熔性加工，可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率，超高的精度，從而達(dá)到納米尺度的加工和制造。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明具備更簡(jiǎn)單的工藝?，F(xiàn)有光刻技術(shù)工藝復(fù)雜并且所需設(shè)備昂貴。相比于光刻技術(shù)，本發(fā)明只需利用飛秒激光直接切割，大大簡(jiǎn)化了加工工藝。

2、本發(fā)明具有更高的精度。相比于數(shù)控加工產(chǎn)生的受力變形問(wèn)題及納秒激光加工的熱擴(kuò)散問(wèn)題，飛秒激光與樣品之間不存在力的作用，也幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)，因此能達(dá)到納米尺度的加工。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中飛秒激光微加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明實(shí)施例中樣品及其顯微鏡圖。

圖3為發(fā)明實(shí)施例中太赫茲系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果。

圖4為發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)，包括飛秒激光器、光闌、能量衰減模塊、快門(mén)、二向色鏡、ccd相機(jī)、單筒鏡頭、移動(dòng)平臺(tái)、同軸光源、物鏡以及計(jì)算機(jī)；所述飛秒激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)所述光闌、能量衰減模塊、快門(mén)、二向色鏡、物鏡聚焦在固定于所述移動(dòng)平臺(tái)上的樣品上得到一聚焦光斑；加工過(guò)程中使用所述同軸光源發(fā)光經(jīng)所述物鏡聚焦照亮加工位置，其反射光經(jīng)過(guò)所述單筒鏡頭照射到所述ccd相機(jī)上成像并在所述計(jì)算機(jī)上顯示，用以輔助調(diào)整聚焦光斑質(zhì)量并實(shí)時(shí)觀察加工質(zhì)量；所述能量衰減模塊包括λ/2波片以及格蘭棱鏡，所述樣品為鋁箔；所述快門(mén)用以控制激光通斷。

在本實(shí)施例中，所述鋁箔的厚度為10μm。

在本實(shí)施例中，所述物鏡為高數(shù)值孔徑物鏡。

在本實(shí)施例中，所述聚焦光斑的大小為10μm。

在本實(shí)施例中，所述鋁箔先壓平后粘貼在平板上，所述平板通過(guò)壓板和螺釘固定在所述移動(dòng)平臺(tái)上，所述移動(dòng)平臺(tái)為三軸移動(dòng)平臺(tái)。

在本實(shí)施例中，所述激光的波長(zhǎng)為800nm，脈寬為45fs，重復(fù)頻率為1000hz。

較佳的，本實(shí)施例還提出了一種低成本太赫茲頻率選擇表面加工系統(tǒng)的方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：將所述鋁箔壓平并粘貼在中空的方框上，利用壓板與螺釘將平板固定在所述移動(dòng)平臺(tái)上；

步驟s2：利用λ/2波片配合格蘭棱鏡調(diào)整激光脈沖能量至所需大小，通過(guò)高數(shù)值孔徑物鏡將激光聚焦到鋁箔表面；

步驟s3：加工過(guò)程中使用所述同軸光源發(fā)光經(jīng)物鏡聚焦照亮加工位置，其反射光經(jīng)過(guò)單筒鏡頭照射到ccd相機(jī)上成像并在計(jì)算機(jī)上顯示，輔助調(diào)整聚焦光斑質(zhì)量并實(shí)時(shí)觀察加工質(zhì)量；

步驟s4：利用labview程序控制移動(dòng)平臺(tái)，加工出具有微米量級(jí)的周期性十字結(jié)構(gòu)頻率選擇表面；

步驟s5：利用移動(dòng)平臺(tái)將樣品移動(dòng)到第二個(gè)待加工的頻率選擇表面單元，重復(fù)步驟s1至s4，直到完成整個(gè)頻率選擇表面的加工。

在本實(shí)施例中，所述步驟s4中，材料的加工方法包括挖除法以及燒蝕法；所述挖除法為：沿十字邊沿切割，將十字挖掉；所述燒蝕法為：將樣品表面置于偏離焦點(diǎn)位置，或者通過(guò)調(diào)節(jié)入射光束直徑改變焦斑大小，移動(dòng)平臺(tái)燒蝕掉十字的一條邊，隨后燒蝕另外一條邊。

本實(shí)施例通過(guò)飛秒激光配合高精度移動(dòng)平臺(tái)直接在鋁箔上加工出太赫茲頻率選擇表面。飛秒激光憑借其固有的超短和超強(qiáng)特性，較傳統(tǒng)的脈沖激光在微精細(xì)加工方面具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如無(wú)熱擴(kuò)散，非熱熔性加工，可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率，超高的精度，從而達(dá)到納米尺度的加工和制造。

圖2為本實(shí)施例中加工完成樣品及其顯微鏡圖，圖3為本實(shí)施例的太赫茲系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，圖4為本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比。從圖2上可以看出，加工出的單元邊緣十分平直，邊緣相交處垂直，單元之間相似程度很高，加工質(zhì)量很穩(wěn)定。從圖3以及圖4可以看出，濾波器起到了良好的濾波效果，理論仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合，特別是中心頻率大小和帶寬與理論結(jié)果幾乎一致。通過(guò)改變十字結(jié)構(gòu)的周期和尺寸，可以調(diào)節(jié)濾波器中心頻率和帶寬。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。