波导管微结构制备及THz实验系统优化

这里使用的波导管是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成的,PMMA材料在THz波段的折射率为1.6左右,在1.5 THz频率以下具有较低的吸收系数,且价格低廉。PMMA波导管的管长为55 mm,外径为8 mm,壁厚为1 mm。周期性微结构是利用CO2激光器(Han's Laser CO2-H10)进行单侧曝光写制的,作为一种工业级的激光打标机,该激光器常被用于工业上非金属材料精细结构的雕刻,其最大输出功率为10 W,且功率可调,打标机内部通过透镜将激光聚焦在焦平面,焦斑直径为50μm左右。通过配套软件可以由计算机控制激光器进行二维扫描,扫描的范围为60 mm×60 mm。图6.9为光栅结构写制的示意图,通过软件预先设定光栅结构及其参数,将波导管固定在激光焦平面附近,通过多次烧蚀得到需要的周期性光栅结构。

图6.9　CO2激光器写制微结构光栅示意图

写制时设置激光平均输出功率为0.6 W,重复频率为5 k Hz,图形设置为直线光栅,光栅周期为300μm,周期数为100,通过点对点的写制方式,在波导管的外表面共刻蚀了100条光栅结构,如图6.10(a)及图6.10(b)所示。通过显微镜放大测量得到槽的宽度为220μm,平均深度为30μm,槽的有效长度约为1.66 mm。将槽看作近似的长方体,故每一个空气槽的体积为0.22 mm×0.03 mm×1.66 mm=0.011μL,所以波导管外表面的空气槽的总体积为0.11μL×100=1.1μL;测量得到脊的宽度为80μm,因此波导管外表面微结构的总长度为300μm×100=30 mm。波导管外表面只有一侧刻有结构,另一侧光滑,微结构示意图如图6.10(c)所示。(www.xing528.com)

图6.10　

(a)波导管测试实验装置图;(b)光栅在光学显微镜下的照片;(c)光栅波导管轴向截面示意图[8]

利用THz-TDS系统对波导管的传输和谐振特性进行了测试,有效测量0.1~3 THz,测量时平移台步长为0.04 ps。实验装置如图6.10(a)所示,通过两个可调光阑将波导管固定在两个抛物面镜之间,管的一端位于第一个抛物面镜的焦点处,另一端位于另一个抛物面镜的焦点处,使得THz波尽可能多地耦合进入波导管中。假设水平面内垂直于管轴方向为x轴,管轴方向为y轴,竖直方向为z轴,THz波的偏振方向平行于z轴。波导管可以绕着中心轴y轴旋转,规定光栅面朝向+z轴时为0°,而当光栅面朝向x轴时为90°。