基于3D打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法

基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及太赫兹波调制的技术领域，尤其涉及一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法。


背景技术：

2.太赫兹(thz)波通常是指频率范围在0.1～10.0thz之间，波长在0.03～3mm之间的电磁波，其波段正好处于微波与红外光之间。与微波和红外光等其他波段相比，太赫兹波拥有许多独特的性质。如低光子能量性、穿透性高、宽带性、强相干性等优点。这些特性使太赫兹波在通信、太赫兹成像传感、生物医学和安全检测等领域都具有广阔的应用前景。
3.在太赫兹技术领域当中，太赫兹调制器件是将太赫兹技术加以应用的核心部件，可实现对太赫兹波的幅度、相位、偏振等进行调控。然而，现有技术方法中的太赫兹调制器均是用于实现被动调制，无法有效实现对太赫兹波的主动调制。导致对太赫兹波进行调制的效果较差，且调制效率较低。因此，现有技术方法中的太赫兹调制器存在对太赫兹波进行调制的效果较差的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法，旨在解决现有技术方法中的太赫兹调制器所存在的对太赫兹波进行调制的效果较差的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述太赫兹宽带调制器包括场源及调控器件，所述调控器件包括基底、设置于所述基座上层的结构层、设置于所述结构层上层的活性层、设置于所述活性层上层的保护层，以及分别设置于所述保护层两侧且与所述活性层相接触的第一电极层和第二电极层；所述第一电极层及所述第二电极层均与所述活性层的上端面相接触；所述结构层通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到；所述结构层由多个空心立方体紧密排列组成；所述空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；每一所述空心立方体的内部空腔中均铺设有内置薄膜层；所述活性层上设有与所述结构层中空心立方体上端面所设置通孔对应的连通孔；所述场源产生外加场并作用于调控器件的表面，通过调节场源的强度以实现太赫兹波的主动调控。
6.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述通孔的直径为所述空心立方体边长的0.3～0.7倍。
7.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述空心立方体的壁厚为其边长的0.08～0.15倍。
8.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述结构层的整体形状为正方形。
9.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述空心立方体的边长与所述太赫兹宽带调制器可调制太赫兹波的波长之间的比值为0.35～0.8。
10.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述基底为硅基底或氧化硅基底。
11.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述保护层为氧化硅层或六方氮化硼层。
12.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述空心立方体的材料为耐高温树脂、磁性树脂或陶瓷。
13.所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其中，所述内置薄膜层与所述活性层均为wte2薄膜层。
14.另一方面，本发明实施例还提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法，其中，上述第一方面所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中的调控器件可采用基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法制造得到，所述方法包括：
15.在基底上通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到结构层，所述结构层包含由多个空心立方体紧密排列组成；所述空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；
16.通过磁控溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空蒸镀法或分子束外延法在所述结构层的上层沉积活性层，并在每一所述空心立方体的内部空腔中沉积内置薄膜层；
17.在所述活性层的上层铺设保护层，所述保护层的宽度小于所述活性层的宽度；
18.通过磁控溅射法在所述活性层的上层未铺设保护层的区域溅射形成第一电极层及所述第二电极层得到调控器件；所述第一电极层及所述第二电极层分别设置于所述保护层的两侧。
19.本发明实施例提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法，太赫兹宽带调制器包括场源及调控器件，所述调控器件包括基底、设置于基座上层的结构层、设置于结构层上层的活性层、设置于活性层上层的保护层，以及分别设置于保护层两侧且与活性层相接触的第一电极层和第二电极层；结构层通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到；结构层由多个空心立方体紧密排列组成；空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；每一空心立方体的内部空腔中均铺设有内置薄膜层；活性层上设有与结构层中空心立方体上端面所设置通孔对应的连通孔。上述基于面投影立体光固化的3d打印技术进行制造得到的太赫兹宽带调制器，3d打印制造过程简单，可高效地制作亚波长量级的空心立方体，具有制造精度高、成本低、速度快的优点，利用结构层中亚波长的空心立方体可实现基于光场、电场或磁场等主动场对太赫兹进行主动调控，大幅提高了太赫兹波的调制效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中调控器件的整体结构图；
22.图2为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中调控器件的局部结构图；
23.图3为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中调控器件的局部剖面结构图；
24.图4为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的应用场景示意图；
25.图5为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法的流程图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
28.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
29.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
30.在本实施例中，请参阅图1至图3，如图所示，本发明实施例提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，所述太赫兹宽带调制器包括场源6及调控器件1，所述调控器件1包括基底11、设置于所述基座11上层的结构层12、设置于所述结构层12上层的活性层13、设置于所述活性层13上层的保护层14，以及分别设置于所述保护层14两侧且与所述活性层13相接触的第一电极层15和第二电极层16；所述第一电极层15及所述第二电极层16均与所述活性层13的上端面相接触；所述结构层12通过面投影立体光固化(projection micro stereolithography,pμsl)的3d打印技术制作得到；所述结构层12由多个空心立方体120紧密排列组成；所述空心立方体120的上端面及四个侧面均设有与内部空腔121相连通的通孔122；每一所述空心立方体120的内部空腔121中均铺设有内置薄膜层123；所述活性层13上设有与所述结构层12中空心立方体120上端面所设置通孔122对应的连通孔131，其中，所述场源6产生外加场并作用于调控器件1的表面，通过调节场源6的强度以实现太赫兹波的主动调控。基底11可用于对其上层设置的其它元器件进行支撑，防止结构层12发生变形，基底11的厚度可略大于结构层12的厚度，如本实施例中设置基底11的厚度为425μm，所述基底11为硅基底或氧化硅基底，可采用si材料或sio2制作得到基底11。
31.结构层12的制备是通过面投影立体光固化的3d打印技术在基底11上制作立方圆孔超材料结构，结构层12由多个空心立方体120紧密排列组成，如本实施中将紧密排列的多个空心立方体120以横竖阵列的方式进行组合得到结构层12，结构层的整体形状为矩形。结
构层12中包含空心立方体120(立方圆孔结构)是超材料的亚波长结构单元，所述空心立方体120的边长l与所述太赫兹宽带调制器可调制太赫兹波的波长λ之间的比值为0.35～0.8。太赫兹波的波长λ位于0.03mm～3mm之间，如所调制的太赫兹波的波长λ为600μm，则可设置空心立方体120的边长l为400μm，可设置每行25个空心立方体120、每列25个空心立方体120，共同组成1cm
×
1cm的结构层12，则此时所述结构层12的整体形状为正方形。
32.空心立方体120内部均设有内部空腔121，空心立方体120除了底面，剩余其它每个面上均挖去一个圆柱体，形成多个与内部空腔121相连通的通孔122，所述空心立方体120的材料为耐高温树脂、磁性树脂或陶瓷。具体的，所述通孔122的直径d为所述空心立方体120边长l的0.3～0.7倍。其中，所述空心立方体120的壁厚w为其边长l的0.08～0.15倍。通孔122的作用在于限制太赫兹场，增强场(太赫兹场)与结构层12之间的相互作用，为提高通孔122的作用效果，可设置通孔122的直径d为空心立方体120边长l的0.3～0.7倍，合理调整通孔122的直径d可增强对太赫兹波的调制效果，如本实施例中设置通孔122的直径d为空心立方体120边长l的0.5倍，对于边长l为400μm的空心立方体120，则可设置通孔的直径d为200μm。还可设置壁厚w为边长l的0.08～0.15倍，如在本实施例中设置壁厚w为边长l的0.125倍，对于边长l为400μm的空心立方体120，则可对应设置壁厚w为50μm。
33.空心立方体120内设置的内置薄膜层123与所述活性层13均为wte2薄膜层。在本实施例中，可采用磁控溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空蒸镀法或分子束外延法在结构层12的上层沉积形成活性层13，在沉积形成活性层13的过程中，部分活性材料由空心立方体120中上端面设置的通孔122进入空心立方体120的内部空腔121中，从而在内部空腔121中形成内置薄膜层123，可基于wte2沉积形成内置薄膜层123及活性层13，例如在本实施例中，所设置的内置薄膜层123及活性层13的厚度为1.5μm。wte2材料属于外尔半金属，其带隙接近于0，它具有载流子迁移率高、电导率高等优点，并且具有反常霍尔效应的特点，基于wte2材料制作得到的上述太赫兹宽带调制器具有低功耗、高速宽带的特点。wte2材料形成的内置薄膜层123及活性层13，通过与亚波长结构的空心立方体120进行结合使用，可实现对太赫兹波高效的主动调制。
34.活性层13的上层还设置有保护层14，具体的，所述保护层14为氧化硅层或六方氮化硼层。保护层14的两侧分别设有第一电极层15及第二电极层16。具体的，第一电极层15及第二电极层16可采用金、铜或铝等金属材料制作得到，第一电极层15及第二电极层16的厚度均为200～300nm、宽度为0.8-1.25mm，也即第一电极层15及第二电极层16的宽度均约为1mm。保护层14的厚度为200～300nm。
35.在具体应用过程中，可通过外加光源、外加电源或外加磁场的方式来实现基于上述调控器件1进行太赫兹波的主动调控。如，外加光源可以是半导体光源，其功率密度调节范围为0～1w/cm2；外加的电源调节范围为0～30v；外加磁场可利用亥姆霍兹线圈实现。
36.本实施例中制造得到的太赫兹宽带调制器具有以下优点：(1)立方圆孔结构使用面投影立体光固化的3d打印技术进行制造，3d打印制造过程简单，并且具有精度高、成本低、制造速度快等优点，可高效地制作亚波长量级的微小结构；(2)wte2材料属于外尔半金属，其带隙接近于0，可进行宽带调制，并且它具有载流子迁移率高、电导率高等优点，非常适合作为低功耗、高速调制器的材料；(3)wte2薄膜的制备可采用磁控溅射等多种方法，制备相对简单，具有通用性和普及性高的特点；(4)将立方圆孔超材料结构与wte2薄膜相结
合，有利于增强太赫兹波与调制器件的相互作用，有效地提高了太赫兹调制器的调制深度。；(5)该器件能够进行多种主动场的调控，如光场、电场以及磁场等，通过改变外加场的强度，就可实现对太赫兹波的主动调控。
37.图4为发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的应用场景示意图，也即是利用上述太赫兹宽带调制器实现对太赫兹波进行主动调制的调制过程示意图。图4中应用场景所包含的实验装置是反射式太赫兹时域频谱系统，如图4所示，其中主要包括飞秒激光器2、太赫兹产生端3、调控器件1、太赫兹探测端4、太赫兹信号处理装置5以及场源6。其中，上述的太赫兹信号处理装置5用于检测经过超材料调谐器件(调控器件1)及外加场调控后的太赫兹波反射频谱；上述的飞秒激光器2为产生的波长为780nm的飞秒激光器；太赫兹产生端3用于产生太赫兹波，太赫兹探测端4用于对所产生的太赫兹波进行探测。
38.调控器件1制作完成后，对调控器件1进行调制实验，将制备好的调控器件1及场源6参照图4放置。首先780nm飞秒激光器2发射的激光经过分束器后，其中一束光经过延迟装置后，通过太赫兹产生端3产生太赫兹波，经过两个离轴抛物面镜对太赫兹波进行准直聚焦，然后斜入射到调控器件1上，反射出调制后的太赫兹波再经过两个离轴抛物面镜入射到太赫兹探测端4；分束器出射的另一束光在太赫兹探测端4与太赫兹波相干，进而通过探测获取太赫兹波的时域频谱图，场源6将外加光源斜入射到调控器件1的表面，通过调节场源6的强度以实现太赫兹波的主动调控；最后在太赫兹信号处理装置5上处理结果。此处实施过程中采用泵浦光源作为场源6，在实际对太赫兹波进行调制过程中，还可采用电场或磁场等主动场源。
39.请参阅图5，图5为本发明实施例提供的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器制造方法的流程图。本发明实施例还提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法，该方法可用于制造得到上述基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中的调控器件，如图5所示，所述方法包括步骤s110～s140。
40.s110、在基底上通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到结构层，所述结构层包含由多个空心立方体紧密排列组成；所述空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔。
41.s120、通过磁控溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空蒸镀法或分子束外延法在所述结构层的上层沉积活性层，并在每一所述空心立方体的内部空腔中沉积内置薄膜层。
42.s130、在所述活性层的上层铺设保护层，所述保护层的宽度小于所述活性层的宽度。
43.s140、通过磁控溅射法在所述活性层的上层未铺设保护层的区域溅射形成第一电极层及所述第二电极层得到调控器件；所述第一电极层及所述第二电极层分别设置于所述保护层的两侧。
44.本发明将wte2薄膜与超材料结构相结合，从而制造得到一种基于3d打印的太赫兹高速多场主动调控宽带调制器。在本实施例中通过面投影立体光固化技术在si片上制作立方圆孔树脂的结构层12，并可在树脂上利用磁控溅射法蒸镀wte2薄膜，同时可利用磁控溅射法在薄膜两端蒸镀上金属电极，完成太赫兹调制器的制作。
45.在本发明实施例所提供了一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方
法，宽带调制器包括场源及调控器件，调控器件包括基底、设置于基座上层的结构层、设置于结构层上层的活性层、设置于活性层上层的保护层，以及分别设置于保护层两侧且与活性层相接触的第一电极层和第二电极层；结构层通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到；结构层由多个空心立方体紧密排列组成；空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；每一空心立方体的内部空腔中均铺设有内置薄膜层；活性层上设有与结构层中空心立方体上端面所设置通孔对应的连通孔。上述基于面投影立体光固化的3d打印技术进行制造得到的宽带调制器，3d打印制造过程简单，可高效地制作亚波长量级的空心立方体，具有制造精度高、成本低、速度快的优点，利用结构层中亚波长的空心立方体可实现基于光场、电场或磁场等主动场对太赫兹进行主动调控，大幅提高了太赫兹波的调制效果。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述太赫兹宽带调制器包括场源及调控器件，所述调控器件包括基底、设置于所述基座上层的结构层、设置于所述结构层上层的活性层、设置于所述活性层上层的保护层，以及分别设置于所述保护层两侧且与所述活性层相接触的第一电极层和第二电极层；所述第一电极层及所述第二电极层均与所述活性层的上端面相接触；所述结构层通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到；所述结构层由多个空心立方体紧密排列组成；所述空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；每一所述空心立方体的内部空腔中均铺设有内置薄膜层；所述活性层上设有与所述结构层中空心立方体上端面所设置通孔对应的连通孔；所述场源为电、磁或激光场，产生外加场并作用于调控器件的表面，通过调节场源的强度以实现太赫兹波的主动调控。2.根据权利要求1所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述通孔的直径为所述空心立方体边长的0.3～0.7倍。3.根据权利要求1所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述空心立方体的壁厚为其边长的0.08～0.15倍。4.根据权利要求1-3任一项所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述结构层的整体形状为正方形。5.根据权利要求4所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述空心立方体的边长与所述太赫兹宽带调制器可调制太赫兹波的波长之间的比值为0.35～0.8。6.根据权利要求1-3任一项所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述基底为硅基底或氧化硅基底。7.根据权利要求1-3任一项所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述保护层为氧化硅层或六方氮化硼层。8.根据权利要求1-3任一项所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述空心立方体的材料为耐高温树脂、磁性树脂或陶瓷。9.根据权利要求1-3任一项所述的基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器，其特征在于，所述内置薄膜层与所述活性层均为wte2薄膜层。10.一种基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法，其特征在于，如权利要求1-9任一项所述基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器中的调控器件采用基于3d打印技术的太赫兹宽带调制器的制造方法制造得到，所述方法包括：在基底上通过面投影立体光固化的3d打印技术制作得到结构层，所述结构层包含由多个空心立方体紧密排列组成；所述空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔相连通的通孔；通过磁控溅射法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空蒸镀法或分子束外延法在所述结构层的上层沉积活性层，并在每一所述空心立方体的内部空腔中沉积内置薄膜层；在所述活性层的上层铺设保护层，所述保护层的宽度小于所述活性层的宽度；通过磁控溅射法在所述活性层的上层未铺设保护层的区域溅射形成第一电极层及所述第二电极层得到调控器件；所述第一电极层及所述第二电极层分别设置于所述保护层的两侧。

技术总结
本发明公开了基于3D打印技术的太赫兹宽带调制器及其制造方法，调制器包括场源及调控器件，调控器件包括基底、设置于基座上层的结构层、设置于结构层上层的活性层、设置于活性层上层的保护层，以及分别设置于保护层两侧且与活性层相接触的第一电极层和第二电极层；结构层通过面投影立体光固化的3D打印技术制作得到；结构层由多个空心立方体紧密排列组成；空心立方体的上端面及四个侧面均设有与内部空腔连通的通孔；空心立方体的内部空腔中铺设有内置薄膜层；活性层上设有与结构层中空心立方体上端面所设置通孔对应的连通孔。上述的调制器，利用亚波长的空心立方体可实现基于光场、电场或磁场对太赫兹进行主动调控，大幅提高了太赫兹波的调制效果。高了太赫兹波的调制效果。高了太赫兹波的调制效果。


技术研发人员：张敏 陈润 宋琦 梁华伟 谢心如 王嘉彤 刘佳睿 陈俊展 康柳
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2022/3/8