太赫茲波，指頻率為0.1-10 THz的電磁波，位于微波和紅外之間，屬于電子學(xué)與光子學(xué)的過渡區(qū)間。由于具有光子能量低、穿透力強(qiáng)、特征光譜分辨能力好等屬性，太赫茲技術(shù)在生物傳感、無損檢測以及高速無線通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，由于自然界中的天然材料在太赫茲頻段沒有電磁響應(yīng)，導(dǎo)致太赫茲頻段的功能材料和器件非常匱乏，這也是造成太赫茲技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用的重要原因。THz超材料，一種新型的周期性人工電磁材料，其性質(zhì)主要取決于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可獲得與自然界已知材料截然不同的電磁性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)豐富的功能器件，如吸波器、調(diào)制器和偏振轉(zhuǎn)換器等。目前常見的太赫茲超材料，主要由光刻工藝制備得到，存在制備工藝復(fù)雜、加工成本高的問題。此外，目前寬帶吸波器常采用上下重疊式多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其在太赫茲頻段所需的多步光刻工藝更是進(jìn)一步提高了加工難度及成本。因此，探索太赫茲器件的無光刻、低成本、簡單高效的制備方法獲得超寬帶太赫茲吸波器，將有利于促進(jìn)太赫茲技術(shù)的繁榮發(fā)展。
近日，西安交通大學(xué)張留洋教授課題組提出了一種偏振不敏感的超寬帶太赫茲吸波器設(shè)計(jì)及其制備方法，該超寬帶吸波器由疊堆于類寶塔基底表面的多層環(huán)形諧振器構(gòu)成，通過相鄰諧振器共振模式的重疊實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展，最終通過疊堆12層圓形和環(huán)形諧振器實(shí)現(xiàn)1.07-2.88 THz頻段的近完.美吸收。該研究結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）制備得到實(shí)驗(yàn)樣件，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)證了寬帶吸收機(jī)理的準(zhǔn)確性。該成果以“Three-Dimensional Printed Ultrabroadband Terahertz Metamaterial Absorbers"為題發(fā)表于國際期刊Physical Review Applied上，該研究工作由西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士生沈忠磊與碩士生李勝男共同合作完成。
圖1 具有面外形態(tài)的太赫茲吸波器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 太赫茲超寬帶吸收譜
通過結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)，超寬帶太赫茲吸波器可由簡單的三步工藝制備得到。其中，周期性陣列的三維類寶塔結(jié)構(gòu)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）加工得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：得益于高精度的微尺度3D打印技術(shù)，測試所得的寬帶吸收譜諧振頻率和吸收幅值均與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。
圖3 太赫茲超寬帶吸波器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（其中單元周期Px=Py=185μm，頂層圓形諧振器半徑r12=10μm, 疊堆環(huán)形諧振器寬度w=6μm，疊堆層厚Dt=10μm）
此外，文章進(jìn)一步證明了該制備方法之于常見太赫茲窄帶吸波器制備的適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種太赫茲窄帶吸波器的吸收譜測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果和理論結(jié)果均較為吻合，表明基于微尺度3D打印技術(shù)的制備方法同樣可實(shí)現(xiàn)對常見太赫茲窄帶吸波器的高質(zhì)量制備。
圖4 太赫茲窄帶吸波器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
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