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(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�手��,，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(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(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(shí)現(xiàn)太赫茲的遠(yuǎn)程應(yīng)用,。”研究人員這樣解釋道,�,！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(jī)來打印圓盤,，并用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（terahertz time－domain spectroscopy,，簡稱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：通過研發(fā)柔性長空心波導(dǎo)管,，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低成本的太赫茲傳感和成像,。

來源： 微迷網(wǎng)