[发明专利]一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用

说明书

本发明公开了一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用，属于3D打印领域及太赫兹应用技术领域。该方法首先采用溶胶凝胶法制备前驱体浆料，然后以该前驱体浆料作为原料进行3D打印无模直写成型，最后通过高温烧结固化获得具有三维木堆结构的所述可调光学窗口。本发明采用溶胶凝胶法配制浆料结合3D打印技术，可实现光学窗口的无模直写成型，该成型的光学窗口只需采用简单的木堆结构，通过调整三维木堆结构中介质棒的直径与间距，就能实现该窗口在太赫兹波段响应特性的调节。该方法不仅解决了复杂光学窗口难以加工的难题，而且结构更加精细、有序，能够对太赫兹波进行更加良好的调控。

技术领域

本发明涉及3D打印及太赫兹应用技术领域，具体涉及一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用。

背景技术

太赫兹波由于在天文学、生物医学、无线通信、安全检测等领域的广泛应用，引起了人们的关注。随着自由电子激光器和超快技术的发展，太赫兹波的产生和检测技术也得到了极大的发展。而用于操控太赫兹波传播的太赫兹波光学窗口的研究却由于制备工艺等原因进展缓慢，制约着太赫兹应用技术的发展。

太赫兹波光学窗口能够对太赫兹波段的电磁波进行调控，要求其介质单元周期尺寸为数微米至数百微米量级。传统制备太赫兹波光学窗口的方法有激光直写、立体印刷、微粒组装等，但这些方法工艺复杂、耗时太长、成本较高，而且对材料选择要求较苛刻。无模直写成型是一种以浆料挤出成型的3D打印技术，通过对浆料的流变学性质进行合理调控，可以制备特征尺寸在数微米至数毫米范围内结构复杂的三维器件，能够很好的满足太赫兹光学窗口制备的精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用，该方法不仅解决了复杂光学窗口难以加工的难题，而且结构更加精细、有序，能够对太赫兹波进行更加良好的调控。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法，该方法首先采用溶胶凝胶法制备前驱体浆料，然后以该前驱体浆料作为原料进行3D打印无模直写成型，最后通过高温烧结固化获得具有三维木堆结构的所述可调光学窗口。

所述前驱体浆料的制备过程包括如下步骤：

(1)含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液的配制：

将表面活性剂、金属醇盐和乙醇均匀混合获得所述含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液；其中：表面活性剂与金属醇盐的比例为(0.2-1)g:10mL，金属醇盐与乙醇的体积比例为1:(0.5-1)；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(平均分子量大于50000)或聚乙二醇。

(2)氨水溶液配制：按照氨水、去离子水与乙醇的体积比例为1:(0.5-2)：(4-10)配制；

(3)将步骤(1)所得含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液与步骤(2)中氨水溶液按体积比例1:(0.5-2)混合，并在50-90℃条件下水解缩聚成凝胶，即得到所述前驱体浆料。

上述步骤(3)所得凝胶为氧化物、氮化物或碳化物陶瓷凝胶，根据所选择的凝胶种类选择步骤(1)中的金属醇盐。

上述步骤(1)中，当所述金属醇盐为双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯(TIA)时，步骤(3)中得到的前驱体浆料为二氧化钛凝胶。

所述3D打印无模直写成型过程中，采用三维木堆结构，调节三维木堆结构中介质棒的直径为10-200μm，间距分别为50-500μm。

所述高温烧结固化是采用多步保温烧结的工艺进行固化，其中：每步升温速率为0.5-2℃/min，保温温度区间450-1600℃，每步保温时间为2-5小时，每步保温后自然冷却到室温，保温2-4次。