空心波导管与3D打印相结合，助力突破太赫兹研究瓶颈

据麦姆斯咨询介绍，太赫兹波是介于毫米波与远红外波段之间、频率为0.1~10 THz的电磁辐射。由于目前还缺乏探究此电磁波产生、探测及传输的有效手段，因此被称为“太赫兹空白隙” （亦称太赫兹鸿沟，Terahertz Gap）。太赫兹波凭借其对大多数非极性材料的穿透性，且在覆盖生物大分子振动和转动能级时不会造成电离损伤的优势，在无损成像、生物医学和国家安全与国防等领域有巨大的应用潜力。

（a）空心波导管段；（b）损耗系数实验结果；（c）机械拼接的90cm空心波导管

在一篇题为“A 0.1 THz low-loss 3D printed hollow waveguide”的论文中，研究人员探讨了使用3D打印技术制造如太赫兹透镜、相位板、波导管等太赫兹功能器件的方法。他们指出：3D打印是一种制造此类器件的低成本、简单且高效的方法。论文地址为：https://www.researchgate.net/publication/327810790_A_01_THz_low-loss_3D_printed_hollow_waveguide。

该论文作者为Pengfei Qi、Weiwei Liu和Weiwei Liu，并于2018年9月发表于OPTIK期刊。

“低损耗介质波导管与低成本3D打印相结合将有助于突破太赫兹研究的瓶颈，并有望实现太赫兹的远程应用。”研究人员这样解释道。“本论文重点研究一种新型0.1 THz低损耗空心波导管的设计、制造及表征。其理论损失值低至0.009 cm^(−1)，其测定损失值为0.015 cm^(−1)。实验结果表明，该空心波导管不仅降低了太赫兹波的传输损耗，还能有效定位太赫兹场，限制太赫兹波束的发散角。”

利用THz-TDS测量PLA样品的示意图

研究人员使用聚乳酸（PLA）制造空心波导管。首先，研究人员通过3D打印出PLA圆盘，以获得该材料的电磁参数。利用Ultimaker 3D打印机来打印圆盘，并用太赫兹时域光谱技术（terahertz time-domain spectroscopy，简称THz-TDS）进行表征。

研究人员接着解释道：“以上步骤完成后，就可以开始设计空心波导管了。”空心波导管设计步骤：第一步，根据反共振波导模型设计波导管截面，并绘制出波导管截面的二维图形；第二步，将该二维图导入有限元仿真软件（该研究使用仿真软件Comsol Multiphysics）中，并绘制出一个更大的截面圆作为完全匹配层（perfect matching layer，PML）；第三步，选择不同的材料及相应的折射率，建立设计模型。最后，通过仿真得到不同模态在空心波导管的中心空孔中传输的有效折射率。

（a）空心波导管截面图；（b）HE11基模的场分布

接着就是对90厘米长的空心波导管进行3D打印和表征了。为了验证空心波导管对太赫兹波的定位效果，研究人员测量了波导管末端的太赫兹发散角，测定损失值为0.015 cm^(−1)。实验结果表明，空心波导管不仅可以减少太赫兹波在空气中的传输损耗，还能有效定位太赫兹波。由此，研究人员得出结论：通过研发柔性长空心波导管，可实现远距离、低成本的太赫兹传感和成像。