本發明屬于線柵制造技術領域，具體地講，涉及一種太赫茲波段的線柵結構及其制造裝置。

背景技術：

太赫茲波是位于0.3thz-30thz(其中，1thz＝10¹²hz，波長約為10μm-1mm，光子能量約為1.2mev-120mev)頻譜范圍內的電磁波，它介于毫米波與紅外波之間，是電子學向光子學過渡的區域，也是電磁波譜中一個很重要的波段。

與傳統光源相比，太赫茲輻射源具有相干、低能、穿透能力強等獨特、優異的特性，所以它在物理、化學、天文學、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域，以及安全檢查、醫學成像、環境監測、食品檢驗、射電天文、衛星通信和武器制導等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的應用前景。

近年來，隨著真空電子技術、半導體微電子技術、超快激光技術以及非線性光學頻率變換技術的飛速發展，太赫茲科學與應用技術已經成為國際研究的熱點。

目前，太赫茲技術主要研究以下三個方面，即太赫茲源、功能器件和檢測技術。功能器件是一個很重要的部分，其中，偏振器件作為一種常見的光學元件，在微波和可見光已被廣泛使用。但早期，由于太赫茲波的產生和檢測技術有限，人們對太赫茲波缺乏了解，使得對它的研究也很少。近年來，隨著太赫茲技術的迅猛發展，其產生和檢測技術也不斷地成熟起來，對偏振器件的性能要求也越來越高。因此，設計制備高性能的太赫茲偏振器件(包括主動器件和被動器件)逐漸引起研究者的重視。

到現在為止，在太赫茲波段人們已經制備出多種多樣的偏振器件，最常見的有兩種：液晶偏振片和金屬線柵型偏振片，而金屬線柵型偏振片又包括無襯底偏振片和有襯底基的偏振片。其兩者區別在于：有襯底基的偏振片由于襯底的影響，存在消光比不高，帶寬窄，干涉嚴重的問題，于是，該領域的科研人 員通過不斷研究希望獲取高性能的太赫茲起偏器。

2008年，c.f.hsieh等人利用液晶的雙折射特征通過在熔融石英襯底上填充一層液晶，在磁場作用下定向排列，制備出feussner型液晶偏振片，頻率為0.2thz-1.0thz，消光系數高達40db，但是液晶層和襯底很難壓緊封裝，且存在較大的干涉影響。而大多數金屬線柵結構的太赫茲偏振器件都是在基底上加工制備出來(即有基底的偏振片)，起初的基底多采用半導體、石英等介電常數較大的經過刻蝕獲得金屬線柵，這樣得到的線柵結構會引起較大的襯底折射率損失。為降低損耗和干涉，在低介電常數聚合物材料(如聚酯薄膜、高密度聚乙烯、低損耗聚乙烯、低密度聚乙烯等)表面上刻蝕金屬線柵偏振器件逐漸成為研究者們的焦點。

為了避免基底材料的影響，消除干涉，制備出無基底金屬線柵起偏器，可以獲得更高的消光比和偏振度，是最為理想的金屬線柵結構。盡管微波波段無基底支撐金屬線柵的加工、制備工藝已經十分成熟，但對于太赫茲波段來說，無基底金屬線柵偏振器件的制備還存在很多問題，例如：襯底折射率高，干涉較為嚴重，消光比偏低，器件性能還不能滿足應用需求，且無基底支撐的樣品易變形，加工難度較大等。因此，制備太赫茲波段無基底金屬線柵偏振器并使其產業化對太赫茲技術的發展意義重大。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種線柵結構，其包括第一圓環、第二圓環以及多根金屬線，其中，所述第一圓環和所述第二圓環彼此貼合在一起，所述多根金屬線等間隔夾設于所述第一圓環和所述第二圓環之間，每根金屬線橫跨所述第一圓環和所述第二圓環的內圓。

進一步地，所述第一圓環和所述第二圓環通過固化劑彼此貼合在一起，并且所述多根金屬線通過固化劑夾設于所述第一圓環和所述第二圓環之間。

本發明的另一目的還在于提供一種上述的線柵結構的制造裝置，其包括：基準平臺、支撐架、直線運動組件、線柵纏繞組件以及放線組件；所述直線運動組件和所述放線組件分別安裝在所述基準平臺上；所述支撐架安裝在所述直線運動組件上，所述支撐架具有同軸的第一聯軸器；所述線柵纏繞組件通過所述第一聯軸器安裝在所述支撐架中，且所述線柵纏繞組件能夠進行旋轉；所述直線運動組件帶動所述支撐架以及所述線柵纏繞組件進行直線運動的方向平行 于所述第一聯軸器的軸方向；所述放線組件的放線方向大致垂直于所述第一聯軸器的軸方向。

進一步地，所述直線運動組件包括：第一步進電機、第二聯軸器、滾珠絲杠、滾珠螺母、螺母座、齒輪增減速裝置；所述第一步進電機通過所述第二聯軸器與所述滾珠絲杠連接，所述滾珠螺母套接在所述滾珠絲杠上，所述螺母座安裝在所述滾珠螺母上，所述支撐架安裝在所述螺母座上；其中，所述第一步進電機驅動所述滾珠絲杠轉動，轉動的所述滾珠絲杠帶動所述滾珠螺母進行轉動，所述滾珠螺母中的滾珠在滾道內的滾動將轉動轉化為直線運動，以帶動所述螺母座進行直線運動，所述齒輪增減速裝置用于調節所述第一步進電機驅動所述滾珠絲杠轉動的轉速。

進一步地，所述支撐架包括：底板、固定安裝在所述底板上的第二步進電機、固定安裝在所述底板上且相對設置的第一支撐板和第二支撐板、以及分別設置在所述第一支撐板和所述第二支撐板上且同軸的第一聯軸器；其中，所述底板安裝在所述直線運動組件的螺母座上；所述線柵纏繞組件通過所述第一聯軸器安裝在所述第一支撐板和所述第二支撐板中；所述第二步進電機通過所述第一聯軸器驅動所述線柵纏繞組件進行旋轉。

進一步地，所述支撐架還包括：燕尾滑道、燕尾滑軌；其中，所述底板固定在所述燕尾滑軌上；所述燕尾滑軌卡設于所述燕尾滑道上，以使所述燕尾滑軌沿著所述燕尾滑道進行滑動，從而調節所述第一支撐板與所述第二支撐板之間的間距。

進一步地，所述線柵纏繞組件包括：固定框架、固定定位件；其中，所述固定框架通過所述第一聯軸器安裝在所述支撐架中；所述固定定位件設置在所述固定框架上，以用于固定定位圓環。

進一步地，所述線柵纏繞組件還包括：金屬線纏繞起始件、金屬線纏繞結束件；其中，所述金屬線纏繞起始件和所述金屬線纏繞結束件設置于所述固定框架上，所述固定定位件位于所述金屬線纏繞起始件和所述金屬線纏繞結束件之間。

進一步地，所述放線組件包括：支撐桿、滑輪、定向片、支撐座、金屬線盤；所述支撐座安裝在所述基準平臺上；所述金屬線盤安裝在所述支撐座上；所述支撐桿安裝在所述基準平臺上且位于所述支撐座與所述直線運動組件之 間；所述滑輪及所述定向片均安裝在所述支撐桿上；所述定向片具有定向孔；其中，所述金屬線盤放出的金屬線通過所述定向孔纏繞到所述滑輪上，并通過所述滑輪纏繞到所述線柵纏繞組件上。

進一步地，所述放線組件還包括：阻尼調節件；所述阻尼調節件安裝在所述支撐座上，用于調節所述金屬線盤所受阻力大小，進而調節所述金屬線盤放出的金屬線的張力大小。

本發明的有益效果：本發明的線柵結構及其制造裝置，制造金屬線柵結構的方法簡單，成品率較高，與傳統光刻技術獲得的線柵相比，在提高性能的基礎上大大降低了成本。此外，本發明的金屬線柵是利用計算機自動控制通過纏繞法繞制后分離而成，金屬線柵的結構參數(例如金屬線的線徑和線柵周期)可通過改變計算機編程語言，根據實際需要進行適當調節。由于本發明中的線柵結構沒有襯底支撐，不僅避免了襯底干涉影響，提高金屬線柵的偏振傳輸性能，而且支撐線柵結構的樣品不易變形，加工難度適中，為產業化提供了可能。

附圖說明

通過結合附圖進行的以下描述，本發明的實施例的上述和其它方面、特點和優點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據本發明的實施例的線柵結構的主視圖、側視圖以及局部放大圖；

圖2是根據本發明的實施例的金屬線柵的原理圖；

圖3是根據本發明的實施例的線柵結構的制造裝置的立體圖；

圖4是根據本發明的實施例的支撐架、直線運動組件、線柵纏繞組件的側視圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細描述本發明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發明，并且本發明不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。

在附圖中，為了清楚起見，夸大了層和區域的厚度。相同的標號在附圖中 始終表示相同的元件。

將理解的是，盡管在這里可使用術語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但是這些元件不應受這些術語的限制。這些術語僅用于將一個元件與另一個元件區分開來。

圖1是根據本發明的實施例的線柵結構的主視圖、側視圖以及局部放大圖。

參照圖1，根據本發明的實施例的線柵結構包括：第一圓環10、第二圓環20以及多根金屬線30；其中，第一圓環10和第二圓環20彼此貼合在一起；多根金屬線30等間距平行排列于第一圓環10和第二圓環20之間，以形成金屬線柵；每根金屬線30都橫跨第一圓環10和第二圓環20的內圓。

進一步地，第一圓環10和第二圓環20通過固化劑40彼此貼合在一起，并且多根金屬線30通過固化劑40等間距平行排列于第一圓環10和第二圓環20之間。在本實施例中，固化劑40是采用環氧樹脂與低分子聚酰胺樹脂按體積比1：1混合而成；但本發明并不限制于此。

在本發明的實施例中，金屬線30采用鎢絲，但本發明并不限制于此，例如，金屬線30還可以采用鍍金的鎢絲或者其他強度較高、電導率較好的金屬絲。這樣，可以使金屬線30具有足夠的拉伸強度和較高的電導率，本發明中，金屬線30的直徑d為40μm，在實際應用中金屬線直徑可以更小。

第一圓環10和第二圓環20采用外徑(即外圓直徑)為82.4mm，內徑(即內圓直徑)為63.6mm，厚度為2mm的無氧銅環，但本發明并不限制于此，例如，第一圓環10和第二圓環20可由橢圓環或者方形環等替代。此外，需要說明的是，第一圓環10和第二圓環20的制作材料還可以是鋁、合金或者耐高溫柔性材料等。等間距平行排列的多根金屬線30形成的金屬線柵的周期的設定取決于入射波的波長范圍，由于本發明的實施例選用的入射波為太赫茲波，其頻率在0.1thz-1.5thz(波長為200μm-3000μm)，因此等間距平行排列的多根金屬線30形成的金屬線柵的周期優選為不大于150μm。而衡量金屬線柵性能好壞的參數為消光比和透過率。需要說明的是，第一圓環10和第二圓環20的厚度可在1mm-10mm之間調節。

在本發明的實施例中，形成的金屬線柵采用圓柱形的金屬線30，一旦金屬線30的直徑確定，只需要考慮線柵周期和入射波波長λ對金屬線柵性能的影響即可。理論上，當λ>>時，金屬線柵的偏振度不會受金屬線30微小變形的影 響；當入射波長λ接近線柵周期時，則金屬線柵的偏振度會降低，并且演化成一種金屬線直徑與線柵周期的復雜關系。實際上，當時，測試值和理論值較為接近。根據本發明的實施例提供的入射波波長范圍，可以設定線柵周期因此，在實驗中，預設各金屬線30彼此之間的間距為80μm，自動繞制完成后，通過顯微鏡測量線柵間距，其平均值為76.610μm，利用thz-tds測量可得：該無基底金屬線柵的頻率在0.1thz-1.5thz，消光比高達25db。

在本發明的實施例中，消光比exp公式為：exp＝10log(p1/p2)；其中，p1為電場矢量垂直于金屬線柵時的最大透過率，p2為電場矢量平行于金屬線柵時的最小透過率。

本發明的實施例的金屬線柵制作方法簡單，成品率較高，與傳統光刻技術獲得的線柵相比，在保證性能的基礎上大大降低了成本。

此外，由于根據本發明的實施例的金屬線柵是利用自動控制通過纏繞法繞制后分離而成，沒有襯底支撐，因此根據本發明的實施例的金屬線柵至少具有的結構優點：(1)金屬線柵結構參數可調，包括金屬線的線徑和線柵周期，可根據需求調節；(2)無襯底材料可提高金屬線柵的偏振傳輸性能；(3)可改變圓環的厚度，獲得兩層甚至三層的偏振器件，例如將制備的兩個或者三個線柵結構粘合在一起，且各線柵的方向存在一定夾角，這樣的線柵結構在太赫茲技術領域也是有一定價值的。

同時，根據本發明的實施例的金屬線柵的起偏振特性有利于激光器中具有偏振特性的混雜模(ehmn)的優先振蕩，具有選模功能。應用在紅外和遠紅外頻段不同參數的金屬線柵對紅外和遠紅外電磁波可以分別實現選擇性高透射和高反射。此外，金屬線柵還可以作為太赫茲光束分束器、偏振器、檢偏器、光學隔離以及電磁屏蔽等器件，是不可缺少的光學器件。

圖2是根據本發明的實施例的金屬線柵的原理圖。

參照圖2，根據本發明的實施例的金屬線柵具有獨特的偏振特性，其原因在于當入射波波長遠大于線柵周期時，入射波偏振方向與金屬線柵方向平行的偏振光(te波)激發金屬線30的電子而產生電流，使得該方向的偏振光反射。而入射波偏振方向與金屬線柵方向垂直的偏振光(tm波)由于該方向上有空氣間隙將金屬線30隔離而無法產生電流，此時電磁波會透射過去。當入射波波長 與線柵周期差不多時，兩個分量都透射。由于根據本發明的實施例的金屬線柵由良導體制成，吸收可以忽略。

以下將對根據本發明的實施例的線柵結構的制造進行詳細說明。

圖3是根據本發明的實施例的線柵結構的制造裝置的立體圖。圖4是根據本發明的實施例的支撐架、直線運動組件、線柵纏繞組件的側視圖。

參照圖3和圖4，根據本發明的實施例的線柵結構的制造裝置包括：基準平臺100、支撐架200、直線運動組件300、線柵纏繞組件400、放線組件500。

直線運動組件300和放線組件500分別固定安裝在基準平臺100上；其中，直線運動組件300的運動方向與放線組件500的放線方向大致垂直。支撐架200安裝在直線運動組件300上，以使直線運動組件300帶動支撐架200進行直線勻速運動。支撐架200具有同軸的兩個第一聯軸器260；線柵纏繞組件400通過第一聯軸器260安裝在支撐架200中，且線柵纏繞組件400能夠進行旋轉。直線運動組件300帶動支撐架200以及線柵纏繞組件400進行直線勻速運動。這里，直線勻速運動的方向平行于第一聯軸器260的軸方向；放線組件500的放線方向大致垂直于第一聯軸器260的軸方向。

具體地，直線運動組件300包括：第一步進電機310、第二聯軸器320、滾珠絲杠330、滾珠螺母340、螺母座350以及齒輪增減速裝置(未標識)。

第一步進電機310通過第二聯軸器320與滾珠絲杠330連接，以使第一步進電機310通過第二聯軸器320驅動滾珠絲杠330進行轉動；滾珠螺母340套接在滾珠絲杠330上，螺母座350安裝在滾珠螺母340上，支撐架200安裝在螺母座340上。當第一步進電機310驅動滾珠絲杠330轉動時，轉動的滾珠絲杠330帶動滾珠螺母340進行轉動，而滾珠螺母340中的滾珠在滾道內的滾動將轉動轉化為直線勻速運動，以帶動螺母座350進行直線勻速運動。齒輪增減速裝置可設置于第一步進電機310與第二聯軸器320之間，以用于調節第一步進電機310驅動滾珠絲杠330轉動的轉速，從而控制螺母座350進行直線勻速運動的速度。采用這種傳動方式的特點包括：傳動效率可高達92％～98％；用滾珠的滾動代替了普通絲杠螺母副的滑動，使其摩擦力較小；軸向間隙可以消除；使用壽命成長等。

支撐架200包括：底板210、固定安裝在底板210上的第二步進電機220、固定安裝在底板210上且相對設置的第一支撐板240和第二支撐板250、以及分 別設置在第一支撐板240和第二支撐板250上且同軸的第一聯軸器260。

這里，底板210安裝在直線運動組件300的螺母座350上；線柵纏繞組件400通過第一聯軸器260安裝在第一支撐板240和第二支撐板250中；第二步進電機220可安裝于設置在第一支撐板240背向第二支撐板250一側的第三支撐板290上，并通過第一聯軸器260與線柵纏繞組件400連接，從而第二步進電機220通過第一聯軸器260驅動線柵纏繞組件400進行旋轉。

進一步地，所述支撐架200還包括：燕尾滑道270、燕尾滑軌280；其中，底板210固定在燕尾滑軌280上；燕尾滑軌280卡設于燕尾滑道270上，以使燕尾滑軌280沿著燕尾滑道270進行滑動，從而調節第一支撐板240與第二支撐板250之間的間距。

線柵纏繞組件400包括：固定框架410、固定定位件420。

固定框架410通過第一聯軸器260安裝在第一支撐板240和第二支撐板250中；固定定位件420設置在固定框架410上，以用于固定定位圓環(諸如上述的第一圓環10或第二圓環20)。在本實施例中，固定定位件420可由四個墊片組成，但本發明并不限制于此。固定框架410的材料可以是鋁、不銹鋼、玻璃纖維等，其中，為了改善繞線中的線柵的均勻性，固定框架410的材料需進行適當的表面處理，從而保證適當的硬度和粗糙度。

進一步地，線柵纏繞組件400還包括：金屬線纏繞起始件430、金屬線纏繞結束件440；其中，金屬線纏繞起始件430和金屬線纏繞結束件440設置于固定框架410上，并且固定定位件420位于金屬線纏繞起始件430和金屬線纏繞結束件440之間。

放線組件500包括：支撐桿510、滑輪520、定向片530、支撐座540、金屬線盤550。

支撐座540安裝在基準平臺100上；金屬線盤550安裝在支撐座540上；支撐桿510安裝在基準平臺100上且位于支撐座540與直線運動組件300之間。在本實施例中，放線組件500包括兩個支撐桿510；但本發明并不限制于此，例如可根據實際需求增減支撐桿510的數量。在每個支撐桿510上安裝一個滑輪520。定向片530安裝在靠近支撐座540的支撐桿510上，并且定向片530上具有定向孔531。

金屬線盤550放出的金屬線通過定向孔531纏繞到每個滑輪520上，并通 過滑輪520纏繞到線柵纏繞組件400上。在金屬線的傳動過程中中，通過調節兩個滑輪520以及定向孔531來保證金屬線的直線度，兩個滑輪520的高度可以調節，定向孔531的直徑為1mm，且可以在定向孔531周圍用尼龍包覆，避免金屬線傳動過程中由于局部應力集中產生斷裂。

進一步地，放線組件500還包括：阻尼調節件560；其中，阻尼調節件560安裝在所述支撐座540上，用于調節金屬線盤550所受阻力大小，進而調節金屬線盤550放出的金屬線的張力大小。在金屬線傳動過程中，阻尼調節件560的設置可保證金屬線受力均勻，變形小，進而保證金屬線不松動變形。

以下對采用圖3和圖4所示的制造裝置制造圖1所示的線柵結構進行說明。

首先，將第一圓環10(或者第二圓環20)放置于固定框架410上，并由固定定位件420固定定位。

接著，金屬線盤550放出的金屬線(例如鎢絲)通過定向孔531纏繞到每個滑輪520上，并經過滑輪520而連接到金屬線纏繞起始件430上。

接著，通過控制器(未示出)控制直線運動組件300進行直線勻速運動，從而帶動線柵纏繞組件400進行直線勻速運動，同時控制金屬線盤550以相應的速度放出金屬線；這樣，金屬線纏繞在第一圓環10上。

接著，當金屬線纏繞停止結束后，將金屬線的末端連接到金屬線纏繞結束件440上。

接著，取下固定框架410，利用第二圓環20(或者第一圓環10)通過固化劑40貼合到第一圓環10(或者第二圓環20)上。

最后，將第一圓環10和第二圓環20之外的金屬線剪掉，從而形成線柵結構。

綜上所述，根據本發明的實施例，制造金屬線柵的方法簡單，成品率較高，與傳統光刻技術獲得的線柵相比，在保證性能的基礎上大大降低了成本。此外，由于根據本發明的實施例的金屬線柵是利用自動控制通過纏繞法繞制后分離而成，沒有襯底支撐，因此根據本發明的實施例的金屬線柵的結構參數(例如金屬線的線徑和線柵周期)可調，并且無襯底支撐可提高金屬線柵的偏振傳輸性能。

雖然已經參照特定實施例示出并描述了本發明，但是本領域的技術人員將 理解：在不脫離由權利要求及其等同物限定的本發明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節上的各種變化。