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、微波等更為人熟知的電磁波中。太赫茲光譜及其輻射波長目前仍是個全新的研究領(lǐng)域，研究人員已了解到，太赫茲輻射可為成像及通訊等應(yīng)用提供附加價值。如今，太赫茲常被應(yīng)用于實驗室材料分析及機場安檢。太赫茲波長比可見光波長要長得多，在毫米范圍內(nèi)，且太赫茲光束只能通過特殊技術(shù)來實現(xiàn)操控。

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)(Technical University of Vienna，以下簡稱TU Wien)的研究人員長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說，就像玻璃對于可見光一樣，是完全透明的。然而，太赫茲光波穿過塑料時，速度會稍微變慢，這就意味著光束穿過塑料后波峰和波谷會有些位移，我們稱之為移相(phase shifting)?！?/p>

　　這就好比玻璃光學(xué)透鏡，它的中間比邊緣厚，因此穿過透鏡中央的光束會比穿過邊緣的光束花費更多時間。這會導(dǎo)致穿過透鏡中間的光束比穿過邊緣的光束延遲得多，光束形狀會發(fā)生改變(即更寬的光束可聚焦在單點上)。TU Wien的研究人員使用相同類型的移相來塑造太赫茲光束，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：“我們不僅想把寬光束投射成一個單點，我們的終極目標是實現(xiàn)將任何光束塑造為想要的形狀?！?/p>

　　3D打印屏幕

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

　　Pimenov教授解釋道：“這個過程其實非常簡單。對于2 mm波長的太赫茲輻射來說，甚至并不需要分辨率很高的3D打印機，只要結(jié)構(gòu)精度明顯好于所使用的輻射波長就足夠了?！?/p>

　　Jan Gospodaric和Andrei Pimenov教授在實驗室中的合影

　　該團隊最近在Applied Physics Letters《應(yīng)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，合著者包括來自維也納大學(xué)(University of Vienna)的Gosporadic， A. Kuzmenko、Anna Pimenov、 C. Huber和D. Suess，以及來自TU Wien的S. Rotter和Pimenov教授。

　　論文摘要：“源于3D打印技術(shù)的進步，3D打印可實現(xiàn)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(gòu)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(yù)先定義的光前強度分布，我們提出了一種計算、設(shè)計并制造太赫茲波片的方法，對入射太赫茲光束(λ0?=?2.14?mm)進行相位調(diào)制。我們針對兩種不同目標強度使用了修正的Gerchberg-Saxton算法進行計算。所得到的相位調(diào)制曲線可用于對聚丙交酯進行建模，并采用市售3D打印機打印。測試結(jié)果在配備掃描選項的太赫茲實驗裝置中進行測試，其結(jié)果與理論預(yù)測具有很高的一致性?！?/p>

　　當(dāng)屏幕插入光束時，會出現(xiàn)特定的圖案：十字或TU Wien標志

　　研究人員開發(fā)了一種特殊的計算方法來實現(xiàn)其3D打印屏幕的設(shè)計。為了展示新型太赫茲波束成型方法設(shè)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)幾乎沒有任何幾何限制。我們的方法應(yīng)用起來相對容易，這讓我們相信，該項技術(shù)可很快應(yīng)用于許多領(lǐng)域，同時目前新興的太赫茲技術(shù)將使其更加精確且通用。”