1 引言

太赫兹(THz)波通常是指频率为0.1~10 THz的电磁波,介于微波和红外之间。由于THz波独特的性质,THz技术在物体成像、环境监测、生物医学、高速空间通信及****等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景^[1-5]。传统THz探测器大多是通过电学信号来测量THz辐射的,设备制作复杂、体积庞大且成本高昂^[6-8]。Golay型探测器虽然可以通过光学方法探测THz辐射,但是探测效率较低,THz最大探测功率仅为10 μW^[9],THz探测器仍面临着高效探测和低成本的实用性挑战。

基于胆甾相液晶(CLC)热致变色特性的可视化THz探测器应运而生^[10-11]。THz辐射导致CLC温度升高,温度的变化会使CLC颜色发生变化,CCD通过识别CLC颜色来检测THz波。利用CLC的热色特性把THz波转换成可见光,通过眼睛直接观察THz波的强度,方便实用、无需电光转换、成本低廉,近几年引起人们广泛的关注。2015年,Tadokoro等^[12]实现了一种基于CLC的THz波束测量卡,但由于测量卡对THz波只有30%吸收率,要求THz功率密度必须在4.3 mW/cm²以上,此时探测灵敏度较低。2018年,Wang等^[13]利用CLC薄膜虽然实现了THz功率密度高达4.0×10³ mW/cm²的定量可视化,但频率为0.5~1.5 THz时,CLC薄膜对THz辐射的最大吸收率仍然只有60%且可检测的THz功率灵敏度为0.07 mW。Kang等^[14]采用一种超材料与CLC结合的设计方法,虽然该方法的吸收率在一定程度上有所提高,但可检测的THz功率值却高达0.25 mW,灵敏度低,而且结构复杂。上述基于CLC的THz探测器件都未能实现对THz辐射的强吸收,无法有效加热CLC实现高效可视化探测。因此,为了获得高效实用的THz探测器,需要寻找新的材料来提高THz吸收率。

方波等^[15]对碳化硅颗粒与3M黑漆的混合涂层材料在THz波段的表面特性进行了相关研究,得到了材料表面的粗糙度与反射率近似呈反比的结论。Huang等^[16]展示了一种具有超低密度和可调节光学特性的三维石墨烯泡沫,其具有微弱的表面反射和巨大的内部吸收,在0.1~1.2 THz频率范围内有优异的THz吸收性能,反射损耗只有19 dB。更重要的是,石墨烯很高的电荷载流子迁移率和良好的导热特性使得三维多孔石墨烯(3DPG)有望成为在THz频段构建新型高效探测器件的优良材料^[17]。

THz功率的可视化结果强烈依赖于CLC的性能,但是CLC在使用过程中由于本身的敏感性和混合液晶的析晶性,易受外界因素的干扰,使得性能大大降低。而将胆甾相液晶微胶囊化(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^[18-19]。将CLCM与3DPG相结合,具有超高孔隙率和凹凸表面特性的3DPG作为THz完美吸收器,掺入的CLCM作为微型THz可视化探测器,3DPG吸收THz辐射产生的热高效传递给CLCM,通过光学显微系统分析CLCM的颜色变化,从而得到THz波辐射功率与CLCM颜色变化的量化关系。进一步将表面喷金后的3DPG与CLCM结合并进行初步实验,发现CLCM的Hue值与THz功率呈线性关系。

2 探测材料和装置

嵌有CLCM的3DPG形貌如图1(a)所示,石墨烯呈黑色网络结构,其中孔的平均尺寸为200 μm,绿色球状物为CLCM,直径约20 μm。CLCM首先分散在有机溶剂中,然后旋涂到3DPG上。为了更清楚地展示3DPG的内部多孔结构和全连通网络,利用扫描电子显微镜(SEM)扫描了3DPG,结果如图1(a)插图所示。图1(b)为样品在室温下的拉曼光谱,具有石墨烯三个典型的特征峰,即D峰、G峰及2D峰。D峰(~1350 cm^-1)代表缺陷峰,反映3DPG的结构缺陷或边缘。G峰(~1580 cm^-1)反映3DPG的对称性和结晶程度。2D峰(~2700 cm^-1)是3DPG的二阶D峰,用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式,其形状和移动与石墨烯的层数密切相关。通常用D峰与G峰的强度比(I_D/I_G)来表征石墨烯的缺陷密度,3DPG较小的I_D/I_G表明测试点处缺陷较少。优良的THz吸收性能是3DPG实现导热的重要保证和前提,通过实验对3DPG的THz吸收性能进行了测量。

图2显示了频率为0.3~2 THz时,作为探测器基底材料的3DPG和嵌有CLCM的3DPG在THz波正入射时的吸收率(A)、反射率(R)及透射率(T),A=1-T-R。可以看出,3DPG和嵌有CLCM的3DPG在频率为0.5~1.5 THz时几乎没有透射或反射,从而对THz波的吸收率高达97%,嵌有CLCM的3DPG在0.65~1.56 THz连续频段范围内对THz波的吸收率甚至超过了99%。实验结果证实了3DPG和CLCM结合来探测THz波的有效性和可行性,非常适用于THz辐射的功率检测。当具有不同功率的THz波辐射到3DPG上时,由于3DPG的超高孔隙率(~99.7%)和表面凹凸不平的结构特征,确保了绝大部分的THz辐射光被吸收进入3DPG内部,表面几乎没有反射和散射,且高孔结构使得有效介电常数和表面有效固体含量降低,增加了辐射接触表面积,进一步增大了吸收。由于3DPG长距离的三维全连通网络和超高的导热率,进入内部的THz辐射光会最大限度地衰减并转换为热能,从而对CLCM高效加热。

图 1. 3DPG的表征测量。(a)嵌有CLCM的3DPG的显微照片;(b) 3DPG的拉曼光谱

Fig. 1. Characteristic measurements of 3DPG. (a) Micrograph of 3DPG embedded with CLCM; (b) Raman spectrum of 3DPG

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图 2. 3DPG和嵌有CLCM的3DPG对THz波的吸收率、反射率及透射率

Fig. 2. Absorptivity, reflectivity, and transmissivity of 3DPG, and 3DPG embedded with CLCM for THz wave

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3DPG辅助CLCM测量高功率THz辐射的装置如图3(a)所示,其中α为倾斜脉冲前沿的倾斜角。利用倾斜泵浦脉冲前沿法^[20-21],再生放大的钛蓝宝石激光器泵浦LiNbO₃晶体,光栅用于波前倾斜脉冲激光,以实现一级衍射光在非线性晶体LiNbO₃中的非共线相位匹配,从而产生强的THz辐射。光整流效应产生的单周期THz脉冲如图3(b)所示,相应的THz频谱范围为0~1.5 THz。由于水汽吸收影响,THz频谱图不完全平滑,其光谱特征如图3(c)所示,其中插图展示的是空间轮廓椭圆状THz聚焦光斑。产生的THz光束经3个离轴抛物面反射镜(PM)聚焦后,用THz相机(IRV-T0831C, Nippon Electronic Company)采集聚焦光斑,其沿水平方向的边缘尺寸a=940 μm,沿垂直方向的边缘尺寸b=587.5 μm。将嵌有CLCM的3DPG样品置于THz辐射的焦点处, 其中3DPG的厚度为0.5 mm。采用带有显示和存储器件的显微设备观察并记录图像,这不仅方便而且能确保检测位置固定。使用工业热释电探测器(THz-5B-MT,Gentec Electro-Optics)对经斩波器调制后的THz辐射功率进行校准和测量。在所提系统中,最大THz平均功率(P_max)为1.2 mW,利用功率与椭圆光斑面积之比计算得到THz波的功率密度高达2.77×10² mW/cm²。由于聚焦后THz光束的尺寸非常小,从而具有高功率密度,这样的强THz光束辐射到具有优异THz吸收率和高导热性的3DPG上,使得3DPG快速升温,并把热量高效传递给CLCM,探测灵敏度有望提升。THz辐射功率的大小对应CLCM颜色的变化。通过旋转THz偏振器调节THz辐射强度,观测CLCM颜色的变化,基于对Hue值的量化分析,可以得到其与THz辐射功率的对应关系^[13]。

图 3. 实验图。(a) 3DPG辅助CLCM测量强THz功率的装置示意图;(b) THz瞬态波形;(c) THz瞬态波形的傅里叶分量

Fig. 3. Experimental diagrams. (a) Schematic of device of 3DPG assisted CLCM for high THz power measurement; (b) THz temporal waveform; (c) Fourier components of THz temporal wave

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3 实验结果

为了研究不同THz功率与CLCM颜色变化的关系,本实验利用THz偏振片(图中未显示)的旋转来控制THz波辐射强度。作为THz功率探测器的CLCM具有很好的温度灵敏性,约为0.1 ℃,热变色时间为毫秒级^[17]。为了确保3DPG和CLCM达到稳定的热平衡状态,以10 s的时间间隔旋转THz偏振片。当偏振片初始角度为θ=0°时,偏振片偏振方向与THz波偏振方向垂直,此时没有THz透射,10 s后以10°为采样间隔旋转偏振片并保存此时的CLCM图像数据。此后依次按规定的时间间隔和采样间隔继续旋转偏振片至θ=90°,此时THz波完全透过,最大平均功率为1.2 mW。图4(a)是在实验室温度为21 ℃时,用显微镜观察并拍摄的一颗CLCM的图像,显示了热平衡下基于3DPG的CLCM在不同THz功率下的颜色变化。THz辐射强度增大时,CLCM温度升高,其反射波从长波向短波长方向移动,颜色从橘红色变为绿色,可以实现以CLCM颜色的变化来表征THz波强度的目的。本实验由于采用了具有优良吸波和热传导作用的3DPG,在偏振片旋转5°,即THz平均功率仅为0.009 mW时,CLCM的颜色就已经有明显可见的变化,3DPG的应用使得THz吸收率和探测灵敏度较前期工作显著提高^[13]。

图 4. 单颗CLCM探测强THz功率的实验结果。(a)不同THz强度下的单颗CLCM可见光照片;(b) CLCM的Hue值与THz功率的关系

Fig. 4. Experimental results of a CLCM for detecting strong THz power. (a) Visible picture of a CLCM under different THz intensities; (b) relationship between Hue value of CLCM and THz power

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数据处理对图像分析十分重要,为了准确量化THz功率与颜色的关系,利用Photoshop图像处理软件对CLCM图像进行分析,定量可视化研究THz功率。通常,RGB模型被用于计算机图形学,然而其并不是基于感知信息的,在图像处理尤其是颜色图像信息需要被扩展的应用中并不适用^[22],所以用Hue值对CLCM的颜色变化图像进行处理。Hue空间是RGB空间经一个非线性变换得到的,表示了颜色在色环上的角度,即单独的Hue就可以用来代表颜色,红色为0°,绿色位于120°,蓝色位于240°,当颜色从红色变成蓝色时,Hue从0°增加到240°。Hue的单调增加便于量化颜色的变化,所以广泛用于颜色指示器^[22-24]中。通过取CLCM中心点向外5×5的像素平均值来获得相关参数。图4(b)显示了对所得数据进行四阶多项式拟合后的Hue值曲线随THz功率的变化趋势,可以看到,Hue值随THz功率的升高单调增加,当偏振片旋转至90°即最大THz平均功率为1.2 mW时,Hue值趋于饱和。上述3DPG辅助单颗CLCM探测强THz功率的Hue值与THz功率的关系呈非线性特性。

对于3DPG吸波材料来说,除了让更多的THz波进入材料内部之外,还要能够更有效地将THz波转换成热能并传递给CLCM。进一步研究,将少量金纳米颗粒溅射到3DPG后重复上述实验,发现,在同一实验条件下,加入了金纳米颗粒的3DPG内的CLCM的Hue值比未加金纳米颗粒时变化更明显,入射THz功率与CLCM的Hue值呈更稳定的线性关系,如图5所示。这可能是因为金纳米颗粒的光热转换效应^[25]使得CLCM温度响应更显著,该结果展现的优势值得进一步深入研究。

图 5. 含有金纳米颗粒的3DPG中CLCM的Hue值与THz功率的关系

Fig. 5. Relationship between Hue value of a CLCM embedded in 3DPG with gold nanoparticles and THz power

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4 结论

基于CLCM的热致变色效应和3DPG对THz波的强吸收特性,提出了一种新型的THz高效可视化功率探测器3DPG材料,该材料实现了对THz波的高效吸收和热量转换,将THz强度表现为可见的颜色变化,并通过简单的图像分析进行量化,即可得到CLCM的Hue值与THz功率的对应关系。初步研究发现,喷金3DPG的CLCM图像的Hue值与THz辐射功率呈近似线性关系,这更有利于对THz功率进行探测。这种THz可视化功率计无需额外的电子设备,既实现了高效探测的目的,又满足在室温下低成本、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。