基于金属波导阵列和3D打印结构的即插即用太赫兹多功能超器件

来源：摩方精密

超器件的出现为电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兹波段。然而，大多数超器件在制造后功能固定且单一，难以适应不同的应用场景。虽然以往提出的有源调谐方案扩展了超器件的功能，但这些方案依赖于外部可控激励源，增加了系统的限制和复杂性。更为重要的是，传统的太赫兹超器件制备方法大多基于半导体技术，通常耗时长且成本高，尤其在低频太赫兹波段，面临着更大的挑战。

近年来，面投影微立体光刻（PμSL）作为一种新兴技术，凭借其定制化、快速制造、低成本大成型面积和高加工精度的优势，成为制造大尺寸、高精度太赫兹超器件的理想选择。值得注意的是，光敏树脂在太赫兹波段表现出优异的光学性能，然而，其低折射率导致制造的超器件通常只能实现单一功能，难以满足多功能调谐的需求。因此，如何通过新型制造方案提升超器件的适应性，成为高效且低成本制造太赫兹多功能超器件的关键问题。

为此，南开大学王晓雷教授研究团队提出了一种可重构多功能超器件平台。该平台通过集成金属波导阵列（MWA）和三维打印结构，实现了独立且同时操控两个正交偏振太赫兹波的偏振、相位和振幅。此外，通过调整金属波导阵列中打印结构的插入长度，能够灵活操控不同传输通道的光束振幅。相关成果以“Plug-and-play terahertz multifunctional metadevices based on metal waveguide arrays and 3D printed structures”为题，发表在期刊《Virtual and Physical Prototyping》上。南开大学现代光学研究所的博士生胡浩为第一作者，王晓雷教授为通讯作者。

具体来说，研究团队基于金属孔的异常透射、波导传输效应以及等效介质理论，将金属孔和介质柱的组合作为晶胞单元进行超器件设计。在这种设计中，金属孔的几何特征与介质柱的参数共同决定了谐振条件。通过调节这两者的参数，可以精确控制不同偏振通道的透射率和相位延迟。本研究中，在固定金属孔阵列尺寸的前提下，设计了具有偏振选择、光束偏转和双通道成像功能的超器件。通过更换三维打印结构，超器件可以在不同功能之间进行重构（如图1所示）。

图1 集成金属波导阵列和三维打印结构的太赫兹可重构多功能超器件平台示意图

为了验证这一设计，采用线切割电火花加工技术制造了金属铝波导阵列，并使用摩方精密microArch® S350（精度：25 μm）3D打印设备制备了由 16 × 16 个单元组成，周期分别为 2.7 毫米（0.9λ），高度为 5 毫米（≈1.67λ）的三维打印结构（耐高温光敏树脂）。图2展示了面投影微立体光刻的打印原理示意图以及三维打印结构和集成超器件的实物图。通过搭建的连续太赫兹波光学测量系统，研究人员对集成超器件进行了表征，测量结果与模拟结果一致，实现了不同功能之间的重构，从而验证了设计方法的有效性（如图3-5所示）。

此外，尽管该超器件是针对0.1 THz的单频太赫兹源所设计，但通过缩放单元结构，能够使其适用于其他太赫兹波段。同时，金属波导阵列也可以通过三维打印技术进行制造。

图2 PμSL打印原理示意图和三维打印结构及集成超器件实物图

图3 正交偏振太赫兹波的独立偏振操控

图4 正交偏振太赫兹波的独立相位操控

图5 正交偏振太赫兹波的相位和振幅的同时独立操控

除了通过更换打印结构实现功能重构之外，该超器件独特的插入式组合设计还提供了额外的调控自由度。如图6所示，不同偏振通道的透射率随着插拔长度的变化表现出不同的趋势（以打印结构A为例）。通过调节插拔长度来调制透射光谱，有望应用于动态波前调制，这对于光学传感器和自适应光学系统具有重要意义。

图6 改变打印结构与金属波导阵列之间插拔长度的调节效果

综上所述，本研究提出了一种新的模块化设计方法，为太赫兹可重构多功能超器件的开发提供了重要的理论与技术支持。这种设计方法不仅有助于多功能集成，还为高效、低成本制造太赫兹超器件提供了新的思路，尤其在雷达、无线通信和成像等领域的大规模应用中具有广阔的前景。

本研究得到了国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2430335