空心波導管與3D打印結合助力突破太赫茲研究瓶頸
發表時間：2018年11月21日瀏覽量：
原標題：空心波導管與3D打印相結合，助力突破太赫茲研究瓶頸
據麥姆斯咨詢介紹，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生、探測及傳輸的有效手段，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非極性材料的穿透性，且在覆蓋生物大分子振動和轉動能級時不會造成電離損傷的優勢，在無損成像、生物醫學和國家安全與國防等領域有巨大的應用潛力。
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打印技術制造如太赫茲透鏡、相位板、波導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月發表于OPTIK期刊。
“低損耗介質波導管與低成本3D打印相結合將有助于突破太赫茲研究的瓶頸，并有望實現太赫茲的遠程應用。”研究人員這樣解釋道。“本論文重點研究一種新型0．1 THz低損耗空心波導管的設計、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。實驗結果表明，該空心波導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散角。”
研究人員使用聚乳酸（PLA）制造空心波導管。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。利用Ultimaker 3D打印機來打印圓盤，并用太赫茲時域光譜技術（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，就可以開始設計空心波導管了。”空心波導管設計步驟：第一步，根據反共振波導模型設計波導管截面，并繪制出波導管截面的二維圖形；第二步，將該二維圖導入有限元仿真軟件（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的折射率，建立設計模型。最后，通過仿真得到不同模態在空心波導管的中心空孔中傳輸的有效折射率。
接著就是對90厘米長的空心波導管進行3D打印和表征了。為了驗證空心波導管對太赫茲波的定位效果，研究人員測量了波導管末端的太赫茲發散角，測定損失值為0．015 cm?1。實驗結果表明，空心波導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，研究人員得出結論：通過研發柔性長空心波導管，可實現遠距離、低成本的太赫茲傳感和成像。
來源： 微迷網
據麥姆斯咨詢介紹，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生、探測及傳輸的有效手段，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非極性材料的穿透性，且在覆蓋生物大分子振動和轉動能級時不會造成電離損傷的優勢，在無損成像、生物醫學和國家安全與國防等領域有巨大的應用潛力。
（a）空心波導管段；（b）損耗系數實驗結果；（c）機械拼接的90cm空心波導管
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打印技術制造如太赫茲透鏡、相位板、波導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月發表于OPTIK期刊。
“低損耗介質波導管與低成本3D打印相結合將有助于突破太赫茲研究的瓶頸，并有望實現太赫茲的遠程應用。”研究人員這樣解釋道。“本論文重點研究一種新型0．1 THz低損耗空心波導管的設計、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。實驗結果表明，該空心波導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。利用Ultimaker 3D打印機來打印圓盤，并用太赫茲時域光譜技術（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，就可以開始設計空心波導管了。”空心波導管設計步驟：第一步，根據反共振波導模型設計波導管截面，并繪制出波導管截面的二維圖形；第二步，將該二維圖導入有限元仿真軟件（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的折射率，建立設計模型。最后，通過仿真得到不同模態在空心波導管的中心空孔中傳輸的有效折射率。
（a）空心波導管截面圖；（b）HE11基模的場分布
接著就是對90厘米長的空心波導管進行3D打印和表征了。為了驗證空心波導管對太赫茲波的定位效果，研究人員測量了波導管末端的太赫茲發散角，測定損失值為0．015 cm?1。實驗結果表明，空心波導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，研究人員得出結論：通過研發柔性長空心波導管，可實現遠距離、低成本的太赫茲傳感和成像。
來源： 微迷網
