太赫兹光场可视化分析仪及其制备方法、测试方法、分析方法技术

本发明专利技术提供了一种太赫兹光场可视化分析仪及其制备方法、测试方法、分析方法，该太赫兹光场可视化分析仪包括太赫兹源、透镜、可调样品台、放置在可调样品台上可调位置的核心器件以及显微装置，所述太赫兹源经过透镜聚焦在核心器件上。本发明专利技术基于激光诱导法一步制备碳基太赫兹超材料器件、碳基超材料对THz波的吸收特性、胆甾相液晶胶囊的热致变色效应等所提出的新型THz光场可视化分析仪，通过简单的图像分析进行量化THz强度、频率以及偏振等性质。这种THz可视化分析仪制备简单、成本低廉，又满足在室温下便携、操作简便的实际应用需求，在未来THz系统发展与应用中具有一定潜力。来THz系统发展与应用中具有一定潜力。来THz系统发展与应用中具有一定潜力。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹光场可视化分析仪及其制备方法、测试方法、分析方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹领域，特别涉及一种太赫兹光场可视化分析仪。

技术介绍

[0002]太赫兹波(terahertz,THz)通常是指频率为0.1
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10THz范围的电磁波，介于微波和红外之间。由于THz波独特的性质使得THz技术在物体成像、环境监测、生物医学、高速空间通信和国家安全等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。THz光场分析仪作为该领域应用的关键，具有十分重要的研究意义。传统THz分析仪大多只能单独分析THz光学参量中的一项，没有实现一体化且设备制作复杂、体积庞大、成本高昂。因此，THz分析仪仍面临高效和低成本的实用性挑战。超材料(metamaterial)包括超表面(metasurface)作为一种亚波长人工微结构材料，理论上可以任意设计电磁参数(介电常数ε，磁导率μ)。尤其在THz波段，自然界尚无特别有效的材料来操控THz波，使得超材料成为操控THz波的理想平台。一方面，超材料可以实现在传输中对THz强度、频率、偏振等的控制；另一方面，超材料可控制近场THz类表面等离激元。此外，超材料器件具有体积小、重量轻、效率高等优点，可扩展传统THz器件的功能，已成为THz系统集成化和小型化的研究热点。基于超材料的这些优势使得其成为分析THz光场的理想器件。
[0003]碳元素是构成各种有机物乃至生命物质的基本元素。碳基材料，如石墨、石墨烯以及碳纳米管等因其表现出的一些优异的性质，包括高表面积、高载流子迁移率、高导热系数等。在物理、化学和材料科学中具有广泛的应用价值。近些年来，一些基于石墨/石墨烯等碳基材料的THz超材料器件被相继提出，然而，这些器件的性能依赖于制作复杂的结构化石墨烯。2014年，Tour等人利用二氧化碳红外激光系统直接对聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)进行激光烧蚀，成功制备出多孔石墨烯，这种制备方式的产物被称为激光诱导石墨烯(Laser Induced Graphene,LIG)。通过这种方法产生的多孔石墨烯具有高表面积、高热稳定性和优异的导电性。整个加工过程可在环境空气中进行，无需任何溶剂，并且成本低廉。这种通过激光烧蚀PI的方法避免了复杂的湿化学方法，且可以直接制备图案化结构，为碳基超材料器件更广泛的应用创造了良好的基础。
[0004]胆甾相液晶(Cholesteric Liquid Crystal,CLC)对温度敏感，温度的变化可使分子结构的螺距p发生改变，不同的螺距反射不同波长的光，使CLC呈现不同的色彩。胆甾相液晶胶囊(Cholesteric Liquid Crystal Microcapsule,CLCM)既可以保护好芯材液晶,拓宽液晶材料的使用范围,又可以使液晶材料的性能充分发挥。THz光场辐射导致CLCM温度升高，温度的变化会引起CLCM颜色变化，使用显微存储装置可获取不同THz光场下的CLCM的颜色等图像特征信息。将THz光场各参量与基于常规光学显微成像系统所得的图像特征信息的一一对应，把THz光场参量转换成可见光，可通过眼睛直接观察THz光场参量的变化，方便实用，无需电光转换，成本低廉。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供能够探测高强度的THz强度、频率以及偏振特性的太赫兹光场可视化分析仪及其制备方法、测试方法、分析方法，装置稳定实用，不需要任何额外的组件。
[0006]为实现以上目的，本专利技术提供了一种太赫兹光场可视化分析仪，包括太赫兹源、透镜、可调样品台、放置在可调样品台上可调位置的核心器件以及显微装置，所述太赫兹源经过透镜聚焦在核心器件上。
[0007]本专利技术的进一步改进在于，所述核心器件是由金属衬底层、碳基超材料层、胆甾相液晶胶囊构成；胆甾相液晶胶囊通过微纳操作借助毛细管定点添加至碳基超材料结构层。
[0008]本专利技术的进一步改进在于，所述显微装置为装配有工业相机和成像镜头的光学显微镜和显示器组成，胆甾相液晶胶囊的变色情况由光学显微镜探测并通过显示器呈现。
[0009]本专利技术的进一步改进在于，所选用的胆甾相液晶胶囊为具有温敏特性微米级的液晶胶囊。
[0010]本专利技术的进一步改进在于，利用仿真软件设计碳基超材料结构，通过设定超材料结构的各项参数，实现对THz光场参量的区分；所述碳基超材料层的制备是使用波长为10.6μm的二氧化碳激光器在聚酰亚胺薄膜上直接写入超材料结构；通过控制激光器的各项参数，调节碳基超材料的性能。
[0011]本专利技术的进一步改进在于，所述核心器件通过以下步骤制备：将胆甾相液晶胶囊粉末与甲基硅油混合形成匹配液；借助光学显微镜以及毛细管，在光学显微镜视野下通过微纳操作将胆甾相液晶胶囊定点添加至碳基超材料结构层上，最后置于金属衬底。
[0012]本专利技术的进一步改进在于，可以采用对比透射式和反射式两种探测方法得到的结果，更精准的探测胆甾相液晶胶囊的颜色变化情况。
[0013]本专利技术还提供了一种太赫兹光场可视化分析仪的制备方法，包括如下步骤：
[0014]提供太赫兹源、透镜、可调样品台以及显微装置；
[0015]提供核心器件，所述核心器件是由金属衬底层、碳基超材料层、胆甾相液晶胶囊构成；胆甾相液晶胶囊通过微纳操作借助毛细管定点添加至碳基超材料结构层；其中，所述碳基超材料层是使用二氧化碳激光器在聚酰亚胺薄膜上直接写入超材料结构而一步获得。
[0016]本专利技术还提供了一种太赫兹光场可视化分析仪的测试方法，包括如下步骤：
[0017]S1：将制成的嵌有胆甾相液晶胶囊的核心器件置于THz辐射的焦点处；
[0018]S2：利用THz线栅来控制THz强度；为了确保胆甾相液晶胶囊达到稳定的热平衡状态，分别以10s的时间间隔旋转THz线栅；
[0019]S3：采用显微装置对不同THz辐射下的样本图像进行拍摄；所述显微装置自身具有显示和图像存储功能，通过该功能获取被测样本的图像信息并保存至外接存储设备显示器以待处理。
[0020]本专利技术还提供了一种使用太赫兹光场可视化分析仪进行分析的分析方法，确定THz光场各参量与基于常规光学显微成像系统所得的图像特征信息的对应关系；使用图像软件处理从显微装置获取的不同THz光场下的胆甾相液晶胶囊的图像特征信息；在不同的THz光场条件下，胆甾相液晶胶囊会呈现不同颜色等图像信息的变化；THz强度的变化，对应胆甾相液晶胶囊在碳基超材料结构同一单元同一位置的颜色等图像信息的变化，通过胆甾
相液晶胶囊图像信息的变化实现对THz光场强度的探测；THz频率的变化，对应胆甾相液晶胶囊在碳基超材料结构在同一单元不同位置的颜色等图像信息的变化，通过胆甾相液晶胶囊图像信息的变化实现对THz光场频率的区分；THz偏振的变化，对应胆甾相液晶胶囊在碳基超材料结构在同一频率不同位置的颜色等图像信息的变化，通过胆甾相液晶胶囊图像信息的变化实现对THz光场偏振的区分。
[0021]本专利技术的有益效果如下：本专利技术基于CLCM的热致变色效应和碳基超材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：包括太赫兹源(1)、透镜(2)、可调样品台(3)、放置在可调样品台(3)上可调位置的核心器件(4)以及显微装置，所述太赫兹源(1)经过透镜(2)聚焦在核心器件(4)上。2.根据权利要求1所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：所述核心器件(4)是由金属衬底层(5)、碳基超材料层(6)、胆甾相液晶胶囊(7)构成；胆甾相液晶胶囊(7)通过微纳操作借助毛细管定点添加至碳基超材料结构层。3.根据权利要求1所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：所述显微装置为装配有工业相机和成像镜头的光学显微镜(8)和显示器(9)组成，胆甾相液晶胶囊的变色情况由光学显微镜(8)探测并通过显示器(9)呈现。4.根据权利要求1所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：所选用的胆甾相液晶胶囊为具有温敏特性微米级的液晶胶囊。5.根据权利要求2所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：利用仿真软件设计碳基超材料结构，通过设定超材料结构的各项参数，实现对THz光场参量的区分；所述碳基超材料层(6)的制备是使用波长为10.6μm的二氧化碳激光器在聚酰亚胺薄膜上直接写入超材料结构；通过控制激光器的各项参数，调节碳基超材料的性能。6.根据权利要求5所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：所述核心器件通过以下步骤制备：将胆甾相液晶胶囊粉末与甲基硅油混合形成匹配液；借助光学显微镜以及毛细管，在光学显微镜视野下通过微纳操作将胆甾相液晶胶囊定点添加至碳基超材料结构层上，最后置于金属衬底。7.根据权利要求1所述的太赫兹光场可视化分析仪，其特征在于：可以采用对比透射式和反射式两种探测方法得到的结果，更精准的探测胆甾相液晶胶囊的颜色变化情况。8.如权利要求1至7任一项所述的太赫兹光场可视化分析仪的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：提供太赫兹源(1)、透...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，张荣轩，金萍，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：