3D打印屏幕完美塑型太赫兹光束

太赫兹（Terahertz，THz）光谱“隐藏”在红外线、微波等更为人熟知的电磁波中。太赫兹光谱及其辐射波长目前仍是个全新的研究领域，研究人员已了解到，太赫兹辐射可为成像及通讯等应用提供附加价值。如今，太赫兹常被应用于实验室材料分析及机场安检。太赫兹波长比可见光波长要长得多，在毫米范围内，且太赫兹光束只能通过特殊技术来实现操控。

据麦姆斯咨询报道，奥地利维也纳技术大学（Technical University of Vienna，以下简称TU Wien）的研究人员长期致力于研究塑造完美太赫兹光束的方法，近期成功利用精确计算的3D打印塑料屏幕，完美塑造了太赫兹光束。TU Wien研究小组利用该简单的3D打印屏幕可将太赫兹光束精确地塑造为所需形状。

像透镜，但更棒！

来自TU Wien固态物理研究所的Andrei Pimenov教授解释道：“普通塑料对太赫兹光束来说，就像玻璃对于可见光一样，是完全透明的。然而，太赫兹光波穿过塑料时，速度会稍微变慢，这就意味着光束穿过塑料后波峰和波谷会有些位移，我们称之为移相（phase shifting）。”

这就好比玻璃光学透镜，它的中间比边缘厚，因此穿过透镜中央的光束会比穿过边缘的光束花费更多时间。这会导致穿过透镜中间的光束比穿过边缘的光束延迟得多，光束形状会发生改变（即更宽的光束可聚焦在单点上）。TU Wien的研究人员使用相同类型的移相来塑造太赫兹光束，尽管他们的这项研究还远未完善。

Pimenov教授团队中的博士研究生Jan Gosporadic补充说：“我们不仅想把宽光束投射成一个单点，我们的终极目标是实现将任何光束塑造为想要的形状。”

3D打印屏幕

TU Wien研究人员通过在光束中插入一个直径仅为几厘米的精确调整的3D打印塑料屏幕，就完成了该目标。在此过程中，研究人员必须调整屏幕的厚度（0至4mm），以便使光束的不同区域以可控的方式偏转，最终形成理想的图像或形状。

Pimenov教授解释道：“这个过程其实非常简单。对于2 mm波长的太赫兹辐射来说，甚至并不需要分辨率很高的3D打印机，只要结构精度明显好于所使用的辐射波长就足够了。”

Jan Gospodaric和Andrei Pimenov教授在实验室中的合影

该团队最近在Applied Physics Letters《应用物理快报》杂志上发表了题为“3D-printed phase waveplates for THz beam shaping”的论文，合著者包括来自维也纳大学（University of Vienna）的Gosporadic, A. Kuzmenko、Anna Pimenov、 C. Huber和D. Suess，以及来自TU Wien的S. Rotter和Pimenov教授。

论文摘要：“源于3D打印技术的进步，3D打印可实现合适的打印分辨率以及聚合物材料的太赫兹通透性，为我们构建经济型定制太赫兹元器件提供了新的方法。为了在远距离图像平面上建立预先定义的光前强度分布，我们提出了一种计算、设计并制造太赫兹波片的方法，对入射太赫兹光束（λ0?=?2.14?mm）进行相位调制。我们针对两种不同目标强度使用了修正的Gerchberg-Saxton算法进行计算。所得到的相位调制曲线可用于对聚丙交酯进行建模，并采用市售3D打印机打印。测试结果在配备扫描选项的太赫兹实验装置中进行测试，其结果与理论预测具有很高的一致性。”

当屏幕插入光束时，会出现特定的图案：十字或TU Wien标志

研究人员开发了一种特殊的计算方法来实现其3D打印屏幕的设计。为了展示新型太赫兹波束成型方法设计的可能性，TU Wien研究小组3D打印出几种不同的屏幕，其中包括可将宽光束塑造成易于辨认的TU Wien大学标志。

Pimenov教授认为：“这表明，该项技术几乎没有任何几何限制。我们的方法应用起来相对容易，这让我们相信，该项技术可很快应用于许多领域，同时目前新兴的太赫兹技术将使其更加精确且通用。”