西(xi)安(an)交大：3D打印(yin)超(chao)寬帶(dai)太(tai)赫(he)茲超(chao)材料吸波(bo)器(qi)

    太赫茲波(bo)，指(zhi)頻率為0.1-10 THz的(de)電磁波(bo)，位於(yu)微波(bo)和(he)紅外之(zhi)間(jian)，屬於(yu)電子學(xue)與(yu)光(guang)子學(xue)的(de)過(guo)渡(du)區(qu)間(jian)。由(you)於(yu)具有光子能量(liang)低(di)、穿透力強(qiang)、特(te)征光(guang)譜(pu)分辨(bian)能力(li)好(hao)等屬(shu)性(xing)，太(tai)赫茲技術(shu)在(zai)生(sheng)物傳(chuan)感(gan)、無損檢測以及高(gao)速(su)無線通訊等領域(yu)具(ju)有重要(yao)的(de)應用(yong)前(qian)景(jing)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)自然界(jie)中的(de)天然材料在(zai)太(tai)赫(he)茲頻段(duan)沒有電磁響應(ying)，導(dao)致太(tai)赫茲頻段(duan)的(de)功能材料和(he)器(qi)件(jian)非(fei)常(chang)匱(kui)乏，這(zhe)也(ye)是(shi)造成太赫(he)茲技術(shu)尚(shang)未(wei)廣(guang)泛應(ying)用的(de)重要(yao)原(yuan)因。THz超(chao)材料，壹種(zhong)新型(xing)的(de)周(zhou)期性人(ren)工(gong)電磁材料，其性(xing)質主要取決(jue)於(yu)所設計(ji)的(de)結(jie)構(gou)，通過(guo)特(te)定的(de)結(jie)構(gou)設計，可獲(huo)得(de)與(yu)自然界(jie)已知材料截然不同(tong)的(de)電磁性質(zhi)，從(cong)而(er)實現豐富的(de)功能器(qi)件(jian)，如(ru)吸波(bo)器(qi)、調(tiao)制(zhi)器(qi)和(he)偏振轉換(huan)器(qi)等(deng)。目前常(chang)見的(de)太赫(he)茲超(chao)材料，主要由(you)光刻(ke)工(gong)藝制備(bei)得(de)到，存在(zai)制(zhi)備(bei)工(gong)藝復雜、加(jia)工(gong)成本高(gao)的(de)問題(ti)。此(ci)外，目前寬帶(dai)吸波(bo)器(qi)常(chang)采(cai)用上下重疊式(shi)多(duo)層(ceng)結(jie)構(gou)設計，其在(zai)太(tai)赫(he)茲頻段(duan)所需的(de)多步(bu)光(guang)刻工(gong)藝更是進壹步(bu)提(ti)高(gao)了加(jia)工(gong)難度及成(cheng)本(ben)。因此(ci)，探(tan)索太赫(he)茲器(qi)件(jian)的(de)無光刻、低成(cheng)本(ben)、簡(jian)單高(gao)效(xiao)的(de)制備(bei)方(fang)法獲(huo)得(de)超(chao)寬帶(dai)太(tai)赫(he)茲吸波(bo)器(qi)，將(jiang)有利於(yu)促進太赫(he)茲技術(shu)的(de)繁榮(rong)發展(zhan)。

    近日(ri)，西安(an)交通大學張(zhang)留洋教(jiao)授課(ke)題組提(ti)出了壹種(zhong)偏振不敏(min)感(gan)的(de)超(chao)寬帶(dai)太(tai)赫(he)茲吸波(bo)器(qi)設(she)計及其制(zhi)備(bei)方(fang)法，該超(chao)寬帶(dai)吸波(bo)器(qi)由(you)疊堆於(yu)類(lei)寶(bao)塔(ta)基底(di)表(biao)面的(de)多層(ceng)環形諧(xie)振器(qi)構(gou)成，通過(guo)相(xiang)鄰諧(xie)振器(qi)共(gong)振模式(shi)的(de)重疊(die)實現帶(dai)寬的(de)擴展(zhan)，最(zui)終(zhong)通過(guo)疊(die)堆12層圓形和(he)環形諧(xie)振器(qi)實現1.07-2.88 THz頻段(duan)的(de)近完(wan).美(mei)吸收(shou)。該(gai)研(yan)究(jiu)結(jie)合微尺(chi)度(du)3D打印技術(shu)（nanoArch S130，摩(mo)方(fang)精密(mi)）制(zhi)備(bei)得(de)到實驗(yan)樣(yang)件，實驗(yan)測試結(jie)果驗(yan)證了寬帶(dai)吸收(shou)機(ji)理的(de)準(zhun)確性(xing)。該成(cheng)果(guo)以“Three-Dimensional Printed Ultrabroadband Terahertz Metamaterial Absorbers"為題發表(biao)於(yu)國際(ji)期刊(kan)Physical Review Applied上，該研究(jiu)工(gong)作由(you)西安(an)交通大學機(ji)械(xie)工(gong)程學院(yuan)博(bo)士(shi)生(sheng)沈(shen)忠(zhong)磊與碩士(shi)生(sheng)李勝(sheng)男共(gong)同合作完(wan)成(cheng)。

圖1 具有面外形態(tai)的(de)太赫(he)茲吸波(bo)器(qi)結(jie)構(gou)示意圖

圖2 太赫(he)茲超(chao)寬帶(dai)吸收(shou)譜(pu)

    通過(guo)結(jie)合微尺(chi)度(du)3D打印技術(shu)，超(chao)寬帶(dai)太(tai)赫(he)茲吸波(bo)器(qi)可(ke)由(you)簡單的(de)三步(bu)工(gong)藝制備(bei)得(de)到。其中(zhong)，周(zhou)期性陣列(lie)的(de)三維類(lei)寶(bao)塔(ta)結(jie)構(gou)采(cai)用面(mian)投(tou)影微立(li)體光刻(ke)3D打(da)印技術(shu)（nanoArch S130，摩(mo)方(fang)精密(mi)）加(jia)工(gong)得(de)到。實驗(yan)結(jie)果表(biao)明：得(de)益(yi)於(yu)高精度(du)的(de)微尺(chi)度(du)3D打印技術(shu)，測試所得(de)的(de)寬帶(dai)吸收(shou)譜(pu)諧(xie)振頻率和(he)吸收(shou)幅(fu)值(zhi)均與數(shu)值(zhi)模擬結(jie)果較(jiao)為吻合。

圖3 太赫(he)茲超(chao)寬帶(dai)吸波(bo)器(qi)實驗(yan)驗(yan)證（其中(zhong)單元(yuan)周(zhou)期Px=Py=185μm，頂(ding)層圓形諧(xie)振器(qi)半徑(jing)r12=10μm, 疊(die)堆環形諧(xie)振器(qi)寬度w=6μm，疊(die)堆層厚(hou)Dt=10μm）

    此(ci)外，文(wen)章(zhang)進壹步(bu)證明了該制備(bei)方(fang)法之於(yu)常見太(tai)赫茲窄帶(dai)吸波(bo)器(qi)制(zhi)備(bei)的(de)適用(yong)性。實驗(yan)結(jie)果表(biao)明：兩(liang)種(zhong)太赫(he)茲窄帶(dai)吸波(bo)器(qi)的(de)吸收(shou)譜(pu)測試結(jie)果與(yu)數(shu)值(zhi)模擬結(jie)果和(he)理論結(jie)果均(jun)較(jiao)為吻合，表(biao)明基(ji)於(yu)微尺(chi)度(du)3D打印技術(shu)的(de)制備(bei)方(fang)法同樣(yang)可實現對(dui)常見太(tai)赫茲窄帶(dai)吸波(bo)器(qi)的(de)高質(zhi)量(liang)制備(bei)。

圖4 太赫(he)茲窄帶(dai)吸波(bo)器(qi)實驗(yan)驗(yan)證