3D打印屏幕完美塑造太赫茲光束

　　太赫茲(Terahertz，THz)光譜“隱藏”在紅外線(xiàn)、微波等更為人熟知的電磁波中。太赫茲光譜及其輻射波長(cháng)目前仍是個(gè)全新的研究領(lǐng)域，研究人員已了解到，太赫茲輻射可為成像及通訊等應用提供附加價(jià)值。如今，太赫茲常被應用于實(shí)驗室材料分析及機場(chǎng)安檢。太赫茲波長(cháng)比可見(jiàn)光波長(cháng)要長(cháng)得多，在毫米范圍內，且太赫茲光束只能通過(guò)特殊技術(shù)來(lái)實(shí)現操控。

　　據麥姆斯咨詢(xún)報道，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)(Technical University of Vienna，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TU Wien)的研究人員長(cháng)期致力于研究塑造完美太赫茲光束的方法，近期成功利用精確計算的3D打印塑料屏幕，完美塑造了太赫茲光束。TU Wien研究小組利用該簡(jiǎn)單的3D打印屏幕可將太赫茲光束精確地塑造為所需形狀。

　　像透鏡，但更棒!

　　來(lái)自TU Wien固態(tài)物理研究所的Andrei Pimenov教授解釋道：“普通塑料對太赫茲光束來(lái)說(shuō)，就像玻璃對于可見(jiàn)光一樣，是完全透明的。然而，太赫茲光波穿過(guò)塑料時(shí)，速度會(huì )稍微變慢，這就意味著(zhù)光束穿過(guò)塑料后波峰和波谷會(huì )有些位移，我們稱(chēng)之為移相(phase shifting)?！?/p>

　　這就好比玻璃光學(xué)透鏡，它的中間比邊緣厚，因此穿過(guò)透鏡中央的光束會(huì )比穿過(guò)邊緣的光束花費更多時(shí)間。這會(huì )導致穿過(guò)透鏡中間的光束比穿過(guò)邊緣的光束延遲得多，光束形狀會(huì )發(fā)生改變(即更寬的光束可聚焦在單點(diǎn)上)。TU Wien的研究人員使用相同類(lèi)型的移相來(lái)塑造太赫茲光束，盡管他們的這項研究還遠未完善。

　　Pimenov教授團隊中的博士研究生Jan Gosporadic補充說(shuō)：“我們不僅想把寬光束投射成一個(gè)單點(diǎn)，我們的終極目標是實(shí)現將任何光束塑造為想要的形狀?！?/p>

　　3D打印屏幕

　　TU Wien研究人員通過(guò)在光束中插入一個(gè)直徑僅為幾厘米的精確調整的3D打印塑料屏幕，就完成了該目標。在此過(guò)程中，研究人員必須調整屏幕的厚度(0至4mm)，以便使光束的不同區域以可控的方式偏轉，最終形成理想的圖像或形狀。

　　Pimenov教授解釋道：“這個(gè)過(guò)程其實(shí)非常簡(jiǎn)單。對于2 mm波長(cháng)的太赫茲輻射來(lái)說(shuō)，甚至并不需要分辨率很高的3D打印機，只要結構精度明顯好于所使用的輻射波長(cháng)就足夠了?！?/p>

　　Jan Gospodaric和Andrei Pimenov教授在實(shí)驗室中的合影

　　該團隊最近在A(yíng)pplied Physics Letters《應用物理快報》雜志上發(fā)表了題為“3D-printed phase waveplates for THz beam shaping”的論文，合著(zhù)者包括來(lái)自維也納大學(xué)(University of Vienna)的Gosporadic， A. Kuzmenko、Anna Pimenov、 C. Huber和D. Suess，以及來(lái)自TU Wien的S. Rotter和Pimenov教授。

　　論文摘要：“源于3D打印技術(shù)的進(jìn)步，3D打印可實(shí)現合適的打印分辨率以及聚合物材料的太赫茲通透性，為我們構建經(jīng)濟型定制太赫茲元器件提供了新的方法。為了在遠距離圖像平面上建立預先定義的光前強度分布，我們提出了一種計算、設計并制造太赫茲波片的方法，對入射太赫茲光束(λ0?=?2.14?mm)進(jìn)行相位調制。我們針對兩種不同目標強度使用了修正的Gerchberg-Saxton算法進(jìn)行計算。所得到的相位調制曲線(xiàn)可用于對聚丙交酯進(jìn)行建模，并采用市售3D打印機打印。測試結果在配備掃描選項的太赫茲實(shí)驗裝置中進(jìn)行測試，其結果與理論預測具有很高的一致性?！?/p>

　　當屏幕插入光束時(shí)，會(huì )出現特定的圖案：十字或TU Wien標志

　　研究人員開(kāi)發(fā)了一種特殊的計算方法來(lái)實(shí)現其3D打印屏幕的設計。為了展示新型太赫茲波束成型方法設計的可能性，TU Wien研究小組3D打印出幾種不同的屏幕，其中包括可將寬光束塑造成易于辨認的TU Wien大學(xué)標志。

　　Pimenov教授認為：“這表明，該項技術(shù)幾乎沒(méi)有任何幾何限制。我們的方法應用起來(lái)相對容易，這讓我們相信，該項技術(shù)可很快應用于許多領(lǐng)域，同時(shí)目前新興的太赫茲技術(shù)將使其更加精確且通用?！?/p>