空心波導(dǎo)管與3D打印相結(jié)合，助力突破太赫茲研究瓶頸

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，太赫茲波是介于毫米波與遠(yuǎn)紅外波段之間、頻率為0．1～10 THz的電磁輻射。由于目前還缺乏探究此電磁波產(chǎn)生、探測(cè)及傳輸?shù)挠行侄?，因此被稱(chēng)為“太赫茲空白隙” （亦稱(chēng)太赫茲鴻溝，Terahertz Gap）。太赫茲波憑借其對(duì)大多數(shù)非極性材料的穿透性，且在覆蓋生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)時(shí)不會(huì)造成電離損傷的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)損成像、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)家安全與國(guó)防等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

（a）空心波導(dǎo)管段；（b）損耗系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（c）機(jī)械拼接的90cm空心波導(dǎo)管

在一篇題為“A 0．1 THz low－loss 3D printed hollow waveguide”的論文中，研究人員探討了使用3D打印技術(shù)制造如太赫茲透鏡、相位板、波導(dǎo)管等太赫茲功能器件的方法。他們指出：3D打印是一種制造此類(lèi)器件的低成本、簡(jiǎn)單且高效的方法。

該論文作者為Pengfei Qi、Weiwei Liu和Weiwei Liu，并于2018年9月發(fā)表于OPTIK期刊。

“低損耗介質(zhì)波導(dǎo)管與低成本3D打印相結(jié)合將有助于突破太赫茲研究的瓶頸，并有望實(shí)現(xiàn)太赫茲的遠(yuǎn)程應(yīng)用?！毖芯咳藛T這樣解釋道?！氨菊撐闹攸c(diǎn)研究一種新型0．1 THz低損耗空心波導(dǎo)管的設(shè)計(jì)、制造及表征。其理論損失值低至0．009 cm?1，其測(cè)定損失值為0．015 cm?1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該空心波導(dǎo)管不僅降低了太赫茲波的傳輸損耗，還能有效定位太赫茲場(chǎng)，限制太赫茲波束的發(fā)散角。”

利用THz－TDS測(cè)量PLA樣品的示意圖

研究人員使用聚乳酸（PLA）制造空心波導(dǎo)管。首先，研究人員通過(guò)3D打印出PLA圓盤(pán)，以獲得該材料的電磁參數(shù)。利用Ultimaker 3D打印機(jī)來(lái)打印圓盤(pán)，并用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（terahertz time－domain spectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)THz－TDS）進(jìn)行表征。

研究人員接著解釋道：“以上步驟完成后，就可以開(kāi)始設(shè)計(jì)空心波導(dǎo)管了。”空心波導(dǎo)管設(shè)計(jì)步驟：第一步，根據(jù)反共振波導(dǎo)模型設(shè)計(jì)波導(dǎo)管截面，并繪制出波導(dǎo)管截面的二維圖形；第二步，將該二維圖導(dǎo)入有限元仿真軟件（該研究使用仿真軟件Comsol Multiphysics）中，并繪制出一個(gè)更大的截面圓作為完全匹配層（perfect matching layer，PML）；第三步，選擇不同的材料及相應(yīng)的折射率，建立設(shè)計(jì)模型。最后，通過(guò)仿真得到不同模態(tài)在空心波導(dǎo)管的中心空孔中傳輸?shù)挠行д凵渎省?br />

（a）空心波導(dǎo)管截面圖；（b）HE11基模的場(chǎng)分布

接著就是對(duì)90厘米長(zhǎng)的空心波導(dǎo)管進(jìn)行3D打印和表征了。為了驗(yàn)證空心波導(dǎo)管對(duì)太赫茲波的定位效果，研究人員測(cè)量了波導(dǎo)管末端的太赫茲發(fā)散角，測(cè)定損失值為0．015 cm?1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空心波導(dǎo)管不僅可以減少太赫茲波在空氣中的傳輸損耗，還能有效定位太赫茲波。由此，研究人員得出結(jié)論：通過(guò)研發(fā)柔性長(zhǎng)空心波導(dǎo)管，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低成本的太赫茲傳感和成像。

來(lái)源： 微迷網(wǎng)