超材料与3D打印的完美“碰撞”：太赫兹透镜！

材料牛注：美国西北大学和的俄克拉何马州立大学的工程师们，将超材料及3D打印结合，研发出一种创新透镜，其能聚焦电磁辐射在太赫兹频率，该透镜相较标准透镜不仅可以有较好的成像质量，它更为神秘的太赫兹领域打开另一先进视野。

「太赫兹是在介于微波和红外线之间的电磁波。」美国西北大学的机械工程系Cheng Sun副教授表示：「人们试图补足这一块差距，因为这段光谱蘊有很大量的讯息。」

透镜的焦距是取决于它的曲率和反射率，其决定了光穿过透镜后的路径。然而，没有附加零件的话，便不能改善内部的缺陷，其最终会导致成像的失真或模糊。「典型的透镜─甚至质量很好的─仍然有极其多种的组件可以去优化它们本质上的缺陷。」Sun教授解释：「有时现代的成像系统是重迭几个透镜去提供最佳的成像质量，但这通常造价不斐且复杂。」

相较之下，由Sun教授团队开发的透镜采用梯度参数，其能随空间而改变折射率参数以创造完美成像，且不需要额外的矫正零件。他们的研究工作由美国国家科学基金会所赞助，且已经发表在期刊上。

为了要生产这个透镜，工程师们采用了一种创新的超材料，其具有非原本自然界中的性质，「这个性质源自于它的微观结构，其尺度远小于太赫兹波长。」Sun教授团队的成员兼第一作者的Fan Zhou教授说：「透过组合这些微小结构，我们可以创建特定的折射率分布。」

此外，透镜是使用投影为立体光刻3D打印技术来做成，其提供快速、可扩展且廉价的制程，以产生太赫兹频带时透镜所需的微小特征。这种打印技术让研究人员可以制造超材料，使其能紧密地满足研究人员相关细节设计。

「在打印方面，我们在液态中使用感光聚全体(Photo-polymer)。」Sun教授说：「当我们照射一束光在材料上时，会让材料转变为固态。该材料能形塑光的轨迹，让我们可以去制造3D结构，在此之前，你是无法以传统制程去完成梯度指数的。」

透镜可以改善太赫兹的成像，这对安全应用特别有用，这它更加便宜、适用且拥有更高的分辨率，虽然X-ray可以检验金属，但却无法检测塑料或化学物质样品。另一方面，太赫兹扫描仪可以同时检测这两种物质，使它能够发现隐匿的武器和生物武器，像是：炭疽和塑料炸药。更重要的是，不像X-ray，太赫兹辐射对人体是完全无害的。

「这项创举意味着我们可以在高分辨率下，揭露一些不透明材料先前无法取得的信息。」Sun教授在俄克拉何马州立大学的合作者，Wei Cao教授说：「这开辟了一个崭新的技术，从生物医学到安全研究都有相当广泛的应用潜能。」

透镜可以改善太赫兹的成像，这对安全应用特别有用，这它更加便宜、适用且拥有更高的分辨率，虽然X-ray可以检验金属，但却无法检测塑料或化学物质样品。另一方面，太赫兹扫描仪可以同时检测这两种物质，使它能够发现隐匿的武器和生物武器，像是：炭疽和塑料炸药。更重要的是，不像X-ray，太赫兹辐射对人体是完全无害的。

相关研究成果发表于Advanced Optical Materials

参考链接：Metamaterials and 3D printing produce terahertz lens

本文由编辑部糯米提供素材，洪聖哲编译。