皮秒激光直写制备太赫兹超材料及性能研究

作     者：赵煜 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶云霞

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：太赫兹 超表面 激光直写 参数优化 性能检测 

摘      要：太赫兹超材料是一种人工材料,由于其特殊的电磁学性质,在军事、通信、医疗、检测等领域具有广阔应用前景。超表面是超材料的二维形式。目前加工太赫兹超表面主要采用光刻法,其加工精度较高,但是成本高昂,加工柔性欠佳。超快激光直写法制备超表面具有工序少、柔性好等优势。但是,超快激光加工微纳尺度的超表面在加工质量控制、加工质量对电磁调制特性影响等方面仍旧存在诸多疑问,缺乏系统深入研究。本文采用皮秒激光直写制备太赫兹超表面器件,结合数值仿真和实验,研究皮秒激光直写优化工艺,探究了直写质量对电磁调制特性的影响,分析其机理并评估了两种超表面的传感性能。主要研究内容与结论如下:(1)尺寸参数对太赫兹超表面共振峰频率的影响规律。基于时域有限差分法,分析了两种太赫兹超表面模型结构参数对共振峰中心频率的影响。结果表明:金属结构尺寸及形状的改变影响结构的等效电感,对共振峰频率影响较大;结构开口及间隙尺寸的改变影响结构的等效电容,等效电容的值与结构的电荷聚集有关,等效电容越大,对共振峰频率影响越大。(2)皮秒激光工艺参数对超表面形貌结构的影响规律。基于皮秒激光微加工系统,优化参数后制备了两种太赫兹超表面,总结了激光工艺参数对结构尺寸、形貌的影响规律。结果表明:“弓型扫描路径边缘的扫描速度较低,严重的热积累造成金属结构断裂;使用激光器的Burst模式并降低功率,减小加工区域注入的功率密度,同时降低扫描速度以增大光斑重叠率,可提升结构加工的均匀性。以上方法有效改善了加工卷边、断裂的缺陷现象;结构单元分组加工有助于减缓热积累造成的金属层剥离基底现象。(3)超表面性能检测及传感实验。基于太赫兹时域光谱系统检测了制备的超表面,分析了实际尺寸误差对共振峰频率的影响,并利用超表面进行百菌清农药的传感检测,评估其传感性能。结果表明:针对方型谐振环,尺寸误差在2%以内的样品共振峰与仿真结果较为吻合,而尺寸误差为6.5%、9%及20.5%的样品共振峰有显著漂移;互补开口谐振环共振峰的偏差主要是由于开口、开槽宽度存在8%、11%的误差以及结构圆度不佳。利用超表面对农药百菌清进行检测,由于基底材料的不同,方型谐振环不能检测出0-10 mg/L的百菌清,互补开口谐振环则最低可以检测出1 mg/L的百菌清,最小检测量比太赫兹波直接检测提升了10倍。由此可见,皮秒激光制备的膜型超表面,其性能可与光刻制备传感器相媲美。