Wissenschaftler 3D-drucken einen effektiven Terahertz-Wellenleiter

Die Terahertz (THz) -Welle ist die elektromagnetische Strahlung bei Frequenzen von 0,1 bis 10 THz, die zwischen der Millimeterwelle und der fernen Infrarotwelle liegt. Es wurde nicht umfassend untersucht, da es keine effektiven Mittel zur Erzeugung, Erkennung und Übertragung gibt, daher wird es als „Terahertz-Lücke“ bezeichnet. Die Ein Terahertz-Wellenleiter hat ein großes Potenzial für die zerstörungsfreie Bildgebung, Biomedizin und die nationale Sicherheit und Abwehr, weil es für die meisten unpolaren Materialien durchdringbar ist und keinen Ionisationsschaden verursacht, während es die Vibrations- und Rotationsenergieniveaus biologischer Makromoleküle abdeckt.

In einem Artikel mit dem Titel „A 0.1 THz low-loss 3D printed hollow waveguide“ diskutiert eine Forschergruppe die Verwendung des 3D-Drucks zur Erstellung von THz-Funktionsgeräten wie Terahertz-Linsen, Phasenplatten, Wellenleitern und mehr. Der 3D-Druck ist eine kostengünstige, einfache und effektive Möglichkeit, diese Geräte zu erstellen.

“Daher wird die Kombination aus verlustarmem dielektrischen Wellenleiter und kostengünstigem 3D-Druck dazu beitragen, Engpässe zu durchbrechen und THz-Fernanwendungen zu realisieren”, erklären die Forscher. „Der Beitrag konzentriert sich auf das Design, die Herstellung und Charakterisierung eines neuartigen, verlustarmen 0,1 THz-Hohlwellenleiters. Sein theoretischer Verlust beträgt nur 0,009 cm⁻¹ und der gemessene Verlust beträgt 0,015 cm⁻¹. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Hohlwellenleiter nicht nur den Übertragungsverlust der Terahertz-Welle verringert, sondern auch das Terahertz-Feld effektiv lokalisieren und den Divergenzwinkel des Terahertz-Strahls einschränken kann.“

Die Forscher verwendeten PLA, um den Hohlwellenleiter herzustellen. Zuerst mussten sie eine PLA-Platte in 3D drucken, um die elektromagnetischen Parameter des Materials zu erhalten. Die Platte wurde auf einem Ultimaker 3D-Drucker gedruckt und durch Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) charakterisiert.

“Danach konnte mit dem Design des Hohlwellenleiters begonnen werden”, so die Forscher weiter. Der erste Schritt besteht darin, den Querschnitt des Wellenleiters auf der Grundlage des Antiresonanz-Wellenleitermodells zu entwerfen und das zweidimensionale Diagramm des Querschnitts zu zeichnen. Zweitens wird der Graph in die Finite-Elemente-Simulationssoftware (Comsol Multiphysics) importiert und ein größerer Kreis um den Querschnitt wird als perfekt passende Ebene gezeichnet. Drittens werden die verschiedenen Materialien und der entsprechende Brechungsindex ausgewählt und das Designmodell wird vernetzt. Schließlich kann gemäß der Simulation der effektive Brechungsindex verschiedener Moden erfasst werden, die in der zentralen Luftöffnung des Hohlwellenleiters übertragen werden.”

Der 90 cm lange Hohlwellenleiter wurde dann 3D-gedruckt und charakterisiert. Um den Lokalisierungseffekt des Hohlwellenleiters auf der THz-Welle zu überprüfen, haben die Forscher den THz-Divergenzwinkel am Ende des Wellenleiters gemessen. Der gemessene Verlust betrug 0,015 cm⁻¹. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der Hohlwellenleiter nicht nur den Übertragungsverlust der Terahertzwelle in der Luft reduzieren kann, sondern auch die Terahertzwelle effektiv lokalisieren kann. Die Forscher schlussfolgern, dass durch die Entwicklung flexibler und längerer Hohlwellenleiter in Zukunft eine kostengünstige, ferngesteuerte THz-Erfassung und Abbildung möglich ist.

Autoren der Arbeit sind Shuai Li, Zijie Dai, Zhiguo Wang, Pengfei Qi, Qiang Su, Xiang Gao, Cheng Gong und Weiwei Liu.