超材料與3D打印的完美“碰撞”：太赫茲透鏡！

材料牛注：美國西北大學和的俄克拉何馬州立大學的工程師們，將超材料及3D打印結合，研發出一種創新透鏡，其能聚焦電磁輻射在太赫茲頻率，該透鏡相較標準透鏡不僅可以有較好的成像質量，它更為神秘的太赫茲領域打開另一先進視野。

「太赫茲是在介于微波和紅外線之間的電磁波。」美國西北大學的機械工程系Cheng Sun副教授表示：「人們試圖補足這一塊差距，因為這段光譜蘊有很大量的訊息。」

透鏡的焦距是取決于它的曲率和反射率，其決定了光穿過透鏡后的路徑。然而，沒有附加零件的話，便不能改善內部的缺陷，其最終會導致成像的失真或模糊。「典型的透鏡─甚至質量很好的─仍然有極其多種的組件可以去優化它們本質上的缺陷。」Sun教授解釋：「有時現代的成像系統是重迭幾個透鏡去提供最佳的成像質量，但這通常造價不斐且復雜。」

相較之下，由Sun教授團隊開發的透鏡采用梯度參數，其能隨空間而改變折射率參數以創造完美成像，且不需要額外的矯正零件。他們的研究工作由美國國家科學基金會所贊助，且已經發表在期刊上。

為了要生產這個透鏡，工程師們采用了一種創新的超材料，其具有非原本自然界中的性質，「這個性質源自于它的微觀結構，其尺度遠小于太赫茲波長。」Sun教授團隊的成員兼第一作者的Fan Zhou教授說：「透過組合這些微小結構，我們可以創建特定的折射率分布。」

此外，透鏡是使用投影為立體光刻3D打印技術來做成，其提供快速、可擴展且廉價的制程，以產生太赫茲頻帶時透鏡所需的微小特征。這種打印技術讓研究人員可以制造超材料，使其能緊密地滿足研究人員相關細節設計。

「在打印方面，我們在液態中使用感光聚全體(Photo-polymer)。」Sun教授說：「當我們照射一束光在材料上時，會讓材料轉變為固態。該材料能形塑光的軌跡，讓我們可以去制造3D結構，在此之前，你是無法以傳統制程去完成梯度指數的。」

透鏡可以改善太赫茲的成像，這對安全應用特別有用，這它更加便宜、適用且擁有更高的分辨率，雖然X-ray可以檢驗金屬，但卻無法檢測塑料或化學物質樣品。另一方面，太赫茲掃描儀可以同時檢測這兩種物質，使它能夠發現隱匿的武器和生物武器，像是：炭疽和塑料炸藥。更重要的是，不像X-ray，太赫茲輻射對人體是完全無害的。

「這項創舉意味著我們可以在高分辨率下，揭露一些不透明材料先前無法取得的信息。」Sun教授在俄克拉何馬州立大學的合作者，Wei Cao教授說：「這開辟了一個嶄新的技術，從生物醫學到安全研究都有相當廣泛的應用潛能。」

透鏡可以改善太赫茲的成像，這對安全應用特別有用，這它更加便宜、適用且擁有更高的分辨率，雖然X-ray可以檢驗金屬，但卻無法檢測塑料或化學物質樣品。另一方面，太赫茲掃描儀可以同時檢測這兩種物質，使它能夠發現隱匿的武器和生物武器，像是：炭疽和塑料炸藥。更重要的是，不像X-ray，太赫茲輻射對人體是完全無害的。

相關研究成果發表于Advanced Optical Materials

參考鏈接：Metamaterials and 3D printing produce terahertz lens

本文由編輯部糯米提供素材，洪聖哲編譯。