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)麥姆斯咨詢介紹，太赫茲波是介于毫米波與遠紅外波段之間、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、探測及傳輸?shù)挠行�手段，因此被稱為“太赫茲空白隙” （亦稱太赫茲鴻溝，Terahertz Gap）。太赫茲波憑借其對大多數(shù)非極性材料的穿透性，且在覆蓋生物大分子振動和轉(zhuǎn)動能級時不會造成電離損傷的優(yōu)勢，在無損成像、生物醫(yī)學(xué)和國家安全與國防等領(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)實驗結(jié)果；（c）機械拼接的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器件的低成本、簡單且高效的方法。

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，并有望實現(xiàn)太赫茲的遠程應(yīng)用。”研究人員這樣解釋道�！氨菊撐闹攸c研究一種新型0．1 THz低損耗空心波導(dǎo)管的設(shè)計、制造及表征。其理論損失值低至0．009 cm?1，其測定損失值為0．015 cm?1。實驗結(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，限制太赫茲波束的發(fā)散角。”

利用THz－TDS測量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3D打印出PLA圓盤，以獲得該材料的電磁參數(shù)。利用Ultimaker 3D打印機來打印圓盤，并用太赫茲時域光譜技術(shù)（terahertz time－domain spectroscopy，簡稱THz－TDS）進行表征。

研究人員接著解釋道：“以上步驟完成后，就可以開始設(shè)計空心波導(dǎo)管了�！笨招牟▽�(dǎo)管設(shè)計步驟：第一步，根據(jù)反共振波導(dǎo)模型設(shè)計波導(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)計模型。最后，通過仿真得到不同模態(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基模的場分布

接著就是對90厘米長的空心波導(dǎo)管進行3D打印和表征了。為了驗證空心波導(dǎo)管對太赫茲波的定位效果，研究人員測量了波導(dǎo)管末端的太赫茲發(fā)散角，測定損失值為0．015 cm?1。實驗結(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：通過研發(fā)柔性長空心波導(dǎo)管，可實現(xiàn)遠距離、低成本的太赫茲傳感和成像。

來源： 微迷網(wǎng)