【2022】【论文笔记】基于激光直写氧化石墨烯纸的超薄THz偏转——

前言

类型
$太赫兹+超表面$
期刊
$micromachines$
作者
$YixinSuo,LumingZhang,YihangLi,YuWu,JianZhang,QiyeWen$
时间
$2022$

该论文利用氧化石墨烯纸实现了一种低反射、快速制作的THz光偏转装置

使用激光直接写入技术，将氧化石墨烯图案化成特定样品

研究目的

太赫兹波段（0.1~10太赫兹）在过去二十年中得到了快速发展，并已被用于安全成像、生物检测、6G通信等领域

太赫兹调制器、赫兹吸收器——对具有光束控制和成形能力的太赫兹光束控制器件的需求不断增加，特别是太赫兹波前wavefront（波阵面）调制器件

• 相控阵天线通常用于波束控制和成形

由于太赫兹T/R（发射和接收）模块的研究障碍和加工成本，很难制造出可应用于太赫兹波段的完整相控阵

二元菲涅耳波带片（FZP）具有结构简单、易于制造、成本和组装复杂度较低的特点

其他器件缺点：制造复杂、缺乏灵活性、高反射——高反射会干扰信号传输，从而导致不稳定性下降。此外，过度反射将影响励磁源的运行可靠性和工作性能

由于光刻的基板不能有足够的弯曲，所以有低反射、易于制造的柔性THz光束控制装置有望在THz无线通信、成像和传感领域获得更前沿的THz应用

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氧化石墨烯

氧化石墨烯在太赫兹波段具有优异的传输性能，还原处理后氧化石墨烯的传输性能显著降低（所以氧化的石墨烯效果好）

氧化石墨烯还原方法：
化学还原、热还原、激光还原（激光直写可以减薄激光还原氧化石墨烯的特定形状）

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GO纸与LRGO纸

GO纸就是氧化石墨烯纸
LRGO就是激光还原的氧化石墨烯，也就是用激光直写处理过的GO纸

UT-LRGO（不完全还原的氧化石墨烯纸）只处理一面，处理过的一面是粗糙的，另一面未处理的性质没变
——用不同的激光功率，获得不同特性的LRGO

OT-LRGO（完全还原的氧化石墨烯纸）被完全减薄，两面都是粗糙的。OT-LRGO的反面有明显的加工图案

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OT-LRGO是制造石墨烯基器件的的最佳选择

如果继续加工OT-LRGO，会过渡处理导致LRGO破碎

激光能量由扫描速度、扫描频率、处理时间等多个参数决定的
与加工时间相比，其他参数不容易量化，因此该论文使用不同的处理时间来表达还原程度不同的LRGO

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激光还原氧化石墨烯的原理

石墨烯中还有大量含氧官能团OCGs和碳氧键

激光处理后，碳氧键C-O断裂
经激光处理后，样品的C/O大大降低，导电性提高

同时，利用EDS（能谱仪）测量氧化石墨烯GO，以碳氧比C/O形式逸出的OCGs中的氢氧元素

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该论文使用了一种低功耗和多次打印的方法来处理GO纸，从而确保了GO纸的高质量的减薄和轻微的损坏

GO纸中的氧和氢元素以气体的形式逸出，导致GO纸多层中出现许多微孔，从而导致样品较松散

• OT-LRGO的珊瑚状结构可以吸收太赫兹波

随着激光能量的增加（通过改变LDW的扫描速率或频率等），OT-LRGO的珊瑚状结构坍塌，薄膜将变得脆弱。因此，要获得吸收太赫兹波的更强的LRGO纸，采用适当的参数非常重要。

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高电导率和珊瑚状结构降低了样品的整体透射性能
（样品的透射率由太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测量）

样品的透射率变化，以及计算机控制的激光写入，使得薄膜可以快速制作成太赫兹偏转器件

以空气为参照，GO纸对太赫兹波的透过率达到89.5%，而LRGO的透过率仅为57.2%。LRGO和GO之间几乎一半的传输差异是使得基于LRGO的THz器件具有较低插入损耗的主要因素。

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以金镜为参照，采用太赫兹-TDS测量GO和LRGO的反射。结果显示，经过LDW设备处理后，GO的反射保持在较低水平，GO的传播在一定程度上减少。

—— OT-LRGO的透射率和反射率均低于UT-LRGO，因为OT-LRGO具有更高的还原率、更高的电导率和更强的太赫兹波衰减能力

• OT-LRGO的珊瑚状结构主要与太赫兹波传播的减少有关

LRGO的电导率低于金属，因此LRGO的反射率低于金属

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LRGO-THz器件设计

LRGO和GO具有不同的太赫兹透射率，可用于制作柔性和低反射掩模

利用LDW（激光直写）将GO纸加工成T形图案，利用太赫兹时域光谱系统可以获得太赫兹图像。得到的图像包含一个清晰的T形

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在该装置中，菲涅耳波带板(FZPs)被设计为340 GHz，焦距为50 mm

在距离发射极$50mm$处，高斯光束半径约为$7mm$，FZPs的尺寸设置为$20mm\times 20mm$

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取适当的焦距F与孔径大小D比(F/D)、比值$\alpha$
——可以获得更高的增益和效率

$$\alpha =\frac{孔径半径}{高斯光束半{径}^2}$$

在确定了偏转角和焦距后，可以确定FZP图形的中心C和半径R

点光源照射下，距离光源焦距$50mm$处平面上的相位分布为

$$\phi (r)=\sqrt{r^2+F^2}-F$$

其中$k=2\pi /\lambda$，入为波长

当波束与平面法线的夹角为0时，相位应为 ${\phi }_d(r)=kr\cdot sin\theta$

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根据$\phi (r)和{\phi }_d(r)$之间的相位差，我们可以计算FZP图形的中心C和半径R为

$$C_n=\frac{a_{n}sin\theta }{co{s}^2\theta }$$

$$R_n=\frac{\sqrt{a_n^2-F^2+C_n^{2}co{s}^2\theta }}{cos\theta }$$

其中$a_n=F-\frac{({\phi }_d-\phi )-n\pi }{k}$，FZP的半径和中心略

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结论

该论文测量了GO（氧化石墨烯）和LRGO（激光还原的氧化石墨烯）的透射和反射。研究发现，它们都能保持低反射，而它们之间的传输有很大的区别。

随后，快速加工GO/LRGO薄膜的方法可以快速制备太赫兹功能器件，并在通过该方法制造的掩模和FZP（菲涅尔波带片）上执行太赫兹成像，并且验证了使用GO和LRGO可以生产低反射太赫兹器件。

LDW（激光直写）设备制造的GO/LRGO太赫兹器件不仅具有超薄、灵活、低反射的特点，而且加工速度快，有利于大规模制造

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问题

菲涅尔波带板的作用是什么？
使点光源或不大的物体成实像
FZP菲涅尔波带板是一种特殊结构的圆形光栅，由一系列交替明暗的同心圆环组成

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