基于金屬波導(dǎo)陣列和3D打印結(jié)構(gòu)的即插即用太赫茲多功能超器件

來源：摩方精密

超器件的出現(xiàn)為電磁波的操控提供了前所未有的能力，尤其在天然材料稀缺的太赫茲波段。然而，大多數(shù)超器件在制造后功能固定且單一，難以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。雖然以往提出的有源調(diào)諧方案擴(kuò)展了超器件的功能，但這些方案依賴于外部可控激勵源，增加了系統(tǒng)的限制和復(fù)雜性。更為重要的是，傳統(tǒng)的太赫茲超器件制備方法大多基于半導(dǎo)體技術(shù)，通常耗時長且成本高，尤其在低頻太赫茲波段，面臨著更大的挑戰(zhàn)。

近年來，面投影微立體光刻（PμSL）作為一種新興技術(shù)，憑借其定制化、快速制造、低成本大成型面積和高加工精度的優(yōu)勢，成為制造大尺寸、高精度太赫茲超器件的理想選擇。值得注意的是，光敏樹脂在太赫茲波段表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能，然而，其低折射率導(dǎo)致制造的超器件通常只能實現(xiàn)單一功能，難以滿足多功能調(diào)諧的需求。因此，如何通過新型制造方案提升超器件的適應(yīng)性，成為高效且低成本制造太赫茲多功能超器件的關(guān)鍵問題。

為此，南開大學(xué)王曉雷教授研究團(tuán)隊提出了一種可重構(gòu)多功能超器件平臺。該平臺通過集成金屬波導(dǎo)陣列（MWA）和三維打印結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了獨立且同時操控兩個正交偏振太赫茲波的偏振、相位和振幅。此外，通過調(diào)整金屬波導(dǎo)陣列中打印結(jié)構(gòu)的插入長度，能夠靈活操控不同傳輸通道的光束振幅。相關(guān)成果以“Plug-and-play terahertz multifunctional metadevices based on metal waveguide arrays and 3D printed structures”為題，發(fā)表在期刊《Virtual and Physical Prototyping》上。南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所的博士生胡浩為第一作者，王曉雷教授為通訊作者。

具體來說，研究團(tuán)隊基于金屬孔的異常透射、波導(dǎo)傳輸效應(yīng)以及等效介質(zhì)理論，將金屬孔和介質(zhì)柱的組合作為晶胞單元進(jìn)行超器件設(shè)計。在這種設(shè)計中，金屬孔的幾何特征與介質(zhì)柱的參數(shù)共同決定了諧振條件。通過調(diào)節(jié)這兩者的參數(shù)，可以精確控制不同偏振通道的透射率和相位延遲。本研究中，在固定金屬孔陣列尺寸的前提下，設(shè)計了具有偏振選擇、光束偏轉(zhuǎn)和雙通道成像功能的超器件。通過更換三維打印結(jié)構(gòu)，超器件可以在不同功能之間進(jìn)行重構(gòu)（如圖1所示）。

圖1 集成金屬波導(dǎo)陣列和三維打印結(jié)構(gòu)的太赫茲可重構(gòu)多功能超器件平臺示意圖

為了驗證這一設(shè)計，采用線切割電火花加工技術(shù)制造了金屬鋁波導(dǎo)陣列，并使用摩方精密microArch® S350（精度：25 μm）3D打印設(shè)備制備了由 16 × 16 個單元組成，周期分別為 2.7 毫米（0.9λ），高度為 5 毫米（≈1.67λ）的三維打印結(jié)構(gòu)（耐高溫光敏樹脂）。圖2展示了面投影微立體光刻的打印原理示意圖以及三維打印結(jié)構(gòu)和集成超器件的實物圖。通過搭建的連續(xù)太赫茲波光學(xué)測量系統(tǒng)，研究人員對集成超器件進(jìn)行了表征，測量結(jié)果與模擬結(jié)果一致，實現(xiàn)了不同功能之間的重構(gòu)，從而驗證了設(shè)計方法的有效性（如圖3-5所示）。

此外，盡管該超器件是針對0.1 THz的單頻太赫茲源所設(shè)計，但通過縮放單元結(jié)構(gòu)，能夠使其適用于其他太赫茲波段。同時，金屬波導(dǎo)陣列也可以通過三維打印技術(shù)進(jìn)行制造。

圖2 PμSL打印原理示意圖和三維打印結(jié)構(gòu)及集成超器件實物圖

圖3 正交偏振太赫茲波的獨立偏振操控

圖4 正交偏振太赫茲波的獨立相位操控

圖5 正交偏振太赫茲波的相位和振幅的同時獨立操控

除了通過更換打印結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能重構(gòu)之外，該超器件獨特的插入式組合設(shè)計還提供了額外的調(diào)控自由度。如圖6所示，不同偏振通道的透射率隨著插拔長度的變化表現(xiàn)出不同的趨勢（以打印結(jié)構(gòu)A為例）。通過調(diào)節(jié)插拔長度來調(diào)制透射光譜，有望應(yīng)用于動態(tài)波前調(diào)制，這對于光學(xué)傳感器和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)具有重要意義。

圖6 改變打印結(jié)構(gòu)與金屬波導(dǎo)陣列之間插拔長度的調(diào)節(jié)效果

綜上所述，本研究提出了一種新的模塊化設(shè)計方法，為太赫茲可重構(gòu)多功能超器件的開發(fā)提供了重要的理論與技術(shù)支持。這種設(shè)計方法不僅有助于多功能集成，還為高效、低成本制造太赫茲超器件提供了新的思路，尤其在雷達(dá)、無線通信和成像等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用中具有廣闊的前景。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2430335