基于3D打印的太赫茲波導(dǎo)成型技術(shù)研究

摘" 要：為提高太赫茲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，保證多個波導(dǎo)機械連接獲得良好的傳輸性能，現(xiàn)提出一套太赫茲波導(dǎo)3D打印制備方案。首先，介紹太赫茲時域光譜系統(tǒng)。其次，從光固化成型技術(shù)原理、RSpro600打印機及其成型材料、光敏樹脂的材料參數(shù)表征等方面入手，利用光固化成型技術(shù)，完成對太赫茲波導(dǎo)的制備。最后，從波導(dǎo)制備、實驗分析2個方面入手，分析空芯微波布拉格波導(dǎo)的3D打印結(jié)果。結(jié)果表明，運用光固化成型技術(shù)所制備的太赫茲波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)完整、傳輸性能穩(wěn)定、其頻譜始終維持在0.29～0.48 THz之間，其光譜能量損耗相對較低，遠遠低于常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。希望通過這次研究，為相關(guān)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：太赫茲（THz）波導(dǎo)；3D打印；成型技術(shù)；傳輸；支撐

中圖分類號：TN814" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0058-04

Abstract： In order to improve the design quality of terahertz waveguide structure and ensure the good transmission performance of mechanical connections of multiple terahertz waveguides， a set of terahertz waveguide 3D printing preparation scheme is proposed. First of all， the terahertz time domain spectroscopy system is introduced. Secondly， starting from the principle of UV-curing technology， RSpro600 printer and its molding materials， and the characterization of material parameters of photosensitive resin， the terahertz waveguide is fabricated by using UV-curing technology. Finally， the 3D printing results of hollow microwave Bragg waveguides are analyzed from two aspects of waveguide preparation and experimental analysis. The results show that the terahertz waveguide fabricated by UV-curing technology has complete structure， stable transmission performance， its frequency spectrum is always maintained between 0.29～0.48 THz， and its spectral energy loss is relatively low， which is much lower than that of conventional supported waveguides. It is hoped that through this study， for the relevant personnel to provide effective reference.

Keywords： terahertz （THz） waveguide; 3D printing; forming technology; transmission; brace

對于波導(dǎo)器件而言，其制備方法是否合理，直接影響了所使用到的太赫茲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)堆積-拉絲法存在一定的局限性，容易在拉絲期間，因遇到高溫環(huán)境而出現(xiàn)明顯形變現(xiàn)象。當(dāng)所制作的太赫茲波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，會增加其制備的難度系數(shù)，同時還會增加制備成本。太赫茲波通常含有較長的輻射波長，所以太赫茲波導(dǎo)的尺寸相對較大，無須同對波導(dǎo)表面質(zhì)量提出了更高的要求。而光固化成型技術(shù)作為一種新型、先進的3D打印制備技術(shù)，具有成型高效、操作高效、成本低等特點，被廣泛地應(yīng)用于太赫茲波段領(lǐng)域中?，F(xiàn)階段，通過運用光固化成型技術(shù)，可以實現(xiàn)對多種太赫茲波導(dǎo)器件的成功制備，同時，所獲得的太赫茲傳輸性能測量結(jié)果完全接近于仿真結(jié)果。所以，為了保證太赫茲波導(dǎo)成型制備質(zhì)量，加強對太赫茲波導(dǎo)3D打印制備顯得尤為重要。

1" 太赫茲時域光譜系統(tǒng)

在太赫茲時域光譜系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，可以精確地測量樣品在0.1～5 THz的光譜屬性。本文所選用的太赫茲時域光譜系統(tǒng)型號為BT-FTS5500，該系統(tǒng)的成像分辨率遠遠低于0.6 mm，其深度通常設(shè)置為11 um，另外，該系統(tǒng)的光譜最小值為0.2 THz，最大值為5.6 THz，光譜分辨率遠遠低于2.6 GHz，當(dāng)光譜采樣速率遠遠超過11 Hz時[1]，可以更好地支持粗細不等、長度不等的太赫茲波導(dǎo)測量。該系統(tǒng)主要是由以下幾個部分組成：①太赫茲時域光譜儀。該光譜儀內(nèi)部主要用到了飛秒激光器、太赫茲弱信號采集板等部分，可以采用異步采樣的方式[2]，全面化采集太赫茲時域波形相關(guān)信息。②波導(dǎo)測量探頭。波導(dǎo)測量探頭通過運用屏蔽信號線纜，與太赫茲時域光譜儀進行有效地連接。③太赫茲光譜分析軟件。該軟件表現(xiàn)出強大的太赫茲光譜分析功能，完全滿足自動光譜識別、厚度測量相關(guān)需求。

太赫茲時域光譜儀具有強大的透射測量功能和反射測量功能，通過將其應(yīng)用到本次波導(dǎo)實驗中，并選用合適的透射方式，對波導(dǎo)材料特性和傳輸損耗進行精確化測量。由于太赫茲在實際輻射期間，很容易受到水氣吸收等因素的影響[3]，所以，要科學(xué)調(diào)整和控制實驗室內(nèi)空氣濕度。為了降低周圍環(huán)境對太赫茲脈沖的吸收程度，需要將玻璃罩搭建于該系統(tǒng)內(nèi)，確保檢測系統(tǒng)誤差降到最低。另外，通過運用超短脈沖激光，可以產(chǎn)生大量的太赫茲波，并利用立軸拋面鏡，將這些太赫茲波直接照射到待測波導(dǎo)上，然后再利用光學(xué)系統(tǒng)，將透射處理后的太赫茲波傳輸?shù)教綔y模塊中，并對其進行異步采樣處理，同時利用傅里葉變換處理法，對所探測到的太赫茲波進行變換處理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)矯正處理情況，利用分析電腦顯示所需要的測量參數(shù)。

2" 光固化成型技術(shù)制備太赫茲波導(dǎo)

2.1" 光固化成型技術(shù)原理

現(xiàn)階段，光固化成型技術(shù)作為一種常用的3D打印技術(shù)，具有層厚控制精確度高、成型件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、表面光滑等特點，當(dāng)太赫茲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)時，通過運用光固化成型技術(shù)，可以最大限度地提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)太赫茲波導(dǎo)打印結(jié)果的精確度[4]。

光固化成型技術(shù)在實際運用中，通過利用液態(tài)樹脂和紫外燈，可以實現(xiàn)由液態(tài)向固體一系列的聚合反應(yīng)。通常情況下，光固化打印常用的原材料是光敏樹脂，通過對紫外光進行實時控制，并確定出合適的光敏樹脂薄層區(qū)域[5]，粗輸出經(jīng)過紫外光照射的區(qū)域逐漸被固化，并與下一層光敏樹脂進行粘合，并再次進行一系列固化反應(yīng)，最終采用層層累積覆蓋的方式，獲得相應(yīng)的成品。光固化成型技術(shù)的基本原理如圖1所示。從圖1中可以看出，通過運用三維制圖軟件，完成對所需要零件的精確化繪制，并將其保存格式統(tǒng)一設(shè)置為STL格式，然后并為三維立體模型施加一定的支撐力，并利用切片軟件，采用分層切片的方式，將支撐處理后的立體模型進行切割，從而獲得各層斷面所對應(yīng)的二維數(shù)據(jù)。同時，還要結(jié)合所規(guī)劃好的打印路徑，采用逐層固化的方式，對光敏樹脂進行固化處理。另外，還要利用激光器所產(chǎn)生的激光束，統(tǒng)一照射液態(tài)光敏樹脂首次斷面區(qū)域[6]，從而保證固化反應(yīng)效果。在此基礎(chǔ)上，還要將固化好的樹脂薄層與首層進行有效粘合，并清洗最終成型件，從而獲得完整化零件?？傊夤袒に嚨倪\用，可以保證層厚控制的精確度，確保所制備的成型件具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、表面光滑特點，這為后期科學(xué)地制備太赫茲波導(dǎo)，確保太赫茲波導(dǎo)具有傳輸損耗低、壁厚薄等特點，提供重要的依據(jù)和參考。

2.2" RSpro600打印機及其成型材料

本文所選用的打印機型號為RSpro600，并在光固化成型技術(shù)的應(yīng)用背景下，利用3D打印機，對太赫茲波導(dǎo)進行制備和設(shè)計[7]，對于3D打印機而言，其打印器件的長、寬、高分別為600 mm、600 mm、500 mm，其打印精度可以控制為0.02～0.1 mm，打印層厚度可以控制為0.06 mm。利用所設(shè)置好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，將所需控制軟件直接導(dǎo)入到打印機內(nèi)，并選用合適的工作模式，獲得最終成型樣品。

為了確保所制備的太赫茲波導(dǎo)器件具有質(zhì)量高、性能穩(wěn)定等特點[8]，需要選用合適的光打印材料，從而滿足光固化工藝使用需求。另外，還要嚴(yán)格按照光固化成型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將加工材料直接放置到紫外光照射環(huán)境下，確保其能夠快速發(fā)生一系列的固化反應(yīng)，這是由于光源點表現(xiàn)出較快的位移速度，一旦加工材料無法及時、有效地進行凝固，會與下一層薄層進行粘合，從而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致打印精度難以保證[9]。另外，由于所選用的紫外光屬于典型的加工光源，這就要求加工材料會大面積接收紫外光的影響，因此，要適當(dāng)?shù)亟档图庸げ牧蠈ψ匀还獾拿舾卸?，避免加工材料出現(xiàn)變質(zhì)、固化現(xiàn)象，不利于后期加工材料存儲。此外，光敏樹脂作為一種常見的液態(tài)樹脂，對紫外光表現(xiàn)出較高的敏感度[10]，為了保證光固化成型加工質(zhì)量，將光敏樹脂材料直接納入到目前實用、經(jīng)濟的光固化成型3D打印材料。光敏樹脂主要包含低聚物、光引發(fā)劑、活性稀釋劑等組成部分，完全滿足光固化打印需求。

2.3" 光敏樹脂的材料參數(shù)表征

為了進一步地提高太赫茲波導(dǎo)設(shè)計質(zhì)量，在進行實驗制備期間，要保證波導(dǎo)樣品光學(xué)屬性接近于數(shù)值模擬后的波導(dǎo)光學(xué)屬性，這是由于波導(dǎo)材料光學(xué)屬性一旦控制不當(dāng)，會對波導(dǎo)傳輸特性產(chǎn)生不良影響。在正式進入太赫茲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計之前[11]，要確定出光敏樹脂材料的吸收系數(shù)，這為后期設(shè)計仿真太赫茲波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)光譜參數(shù)計算提供重要的依據(jù)和參考。本文通過運用太赫茲時域光譜系統(tǒng)，對光敏樹脂材料的吸收系數(shù)進行測量和計算，為后期相關(guān)設(shè)計工作的開展打下堅實的基礎(chǔ)。在這個過程中，首先在光固化成型技術(shù)的應(yīng)用背景下，利用3D打印，完成對以下2種光敏樹脂薄片的制備，一種是0.3 mm厚度薄片，另一種是0.5 mm厚度薄片，并利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)，對其光譜進行精確化測量。在正式進入實驗之前，要將實驗室溫度控制在27 ℃以上，濕度控制在6%以下，確保室內(nèi)含有少量的水蒸氣，只有這樣，才能避免對太赫茲波傳輸產(chǎn)生不良影響。其次，要在全面化、精確化測試實驗背景環(huán)境的基礎(chǔ)上，測量樣品平臺上所放置的待測樣品。

3" 空芯微波布拉格波導(dǎo)的3D打印結(jié)果

3.1" 波導(dǎo)制備

現(xiàn)階段，比較常用的波導(dǎo)制備3D打印技術(shù)是光固化成型技術(shù)，通過運用該技術(shù)，不僅可以保證波導(dǎo)打印精度，還能確保所制備的波導(dǎo)樣品具有結(jié)構(gòu)完整、表面光滑等特點[12]，同時其內(nèi)部支撐材料可以完全去除。對于級聯(lián)波導(dǎo)而言，其軸向排列方式主要選用了如圖2所示的波導(dǎo)支撐條軸向分布示意圖。從圖2中可以看出，在一個周期P內(nèi)，整個支撐條波導(dǎo)單元長度所占比例相對較小，通過選用階梯狀的排布方式，可以確?？諝鈱铀a(chǎn)生的支撐力量全部作用于波導(dǎo)前端，波導(dǎo)末端由于缺乏機械支撐力，很容易出現(xiàn)明顯的形變。由此可見，在設(shè)計波導(dǎo)軸向期間，通過選用拱橋形排布方式，可以確保機械支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，從而起到降低波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形變的作用。

波導(dǎo)傳輸損耗會隨著波導(dǎo)壁厚不斷降低，而呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，這個規(guī)律會增加波導(dǎo)制備的困難度。去除較薄壁厚材料時，一旦遇到較大沖洗力度的水槍，會導(dǎo)致整個波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯形變現(xiàn)象，甚至還會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。另外，在人工去除支撐材料防水的應(yīng)用背景下，可以確保結(jié)構(gòu)變形程度降到最低，但是會因材料去除不徹底而降低波導(dǎo)制備精度。此外，在本次實驗中，所用到的實驗材料主要以光敏樹脂材料為主，該材料表現(xiàn)出較高的吸收系數(shù)，為了確保波導(dǎo)傳輸損耗降到最低，使得波導(dǎo)打印質(zhì)量得以大幅度提高，要在參照原有波導(dǎo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對其進行科學(xué)化改進，從而完成對較大尺寸級聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。較大尺寸級聯(lián)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

經(jīng)過改進后，當(dāng)級聯(lián)波導(dǎo)處于0.383～0.46 THz波段之間，其基模平均傳輸損耗遠遠低于5 dB/m。當(dāng)級聯(lián)波導(dǎo)頻率達到0.419 THz時，其傳輸損耗達到最小，其值為4.16 dB/s，與光敏樹脂材料相比，此時級聯(lián)波導(dǎo)傳輸損耗降低為原材料吸收損耗的1/627。

本次所制備的50 mm長度的波導(dǎo)樣品主要包含2種，一種是級聯(lián)波導(dǎo)，另一種是常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。

通過精細化測量，得到表2所示的波導(dǎo)設(shè)計值與測量值。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，所制備的波導(dǎo)尺寸測量值與尺寸設(shè)計一致，這說明打印偏差始終處于3D打印機精度預(yù)控公差范圍內(nèi)。

3.2" 實驗分析

在太赫茲時域光譜系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，采用實驗測量的方式，對所制備好的波導(dǎo)樣品進行精確化測量。級聯(lián)波導(dǎo)與常規(guī)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的頻譜曲線對比圖如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)波導(dǎo)處于0.29～0.48 THz頻譜范圍時，與常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)波導(dǎo)相比，本文所設(shè)計的級聯(lián)波導(dǎo)所含有的能量損耗相對較小，甚至，處于高頻段的波導(dǎo)傳輸損耗與參考掃描線相接近。導(dǎo)致出現(xiàn)這種光頻變化特點的原因主要包含2種，一種是打印工藝精度，另一種是太赫茲時域光譜系統(tǒng)誤差。

典型太赫茲微結(jié)構(gòu)最小傳輸損耗與傳輸損耗對比結(jié)果見表3、表4。從表3、表4中的數(shù)據(jù)可以看出，在光固化成型技術(shù)的應(yīng)用背景下，當(dāng)本文所制備的級聯(lián)波導(dǎo)頻率范圍為0.146～0.467 THz時，其傳輸損耗相對較低，遠遠低于1 dB，當(dāng)級聯(lián)波導(dǎo)頻率達到0.426 THz時，其級聯(lián)波導(dǎo)平均最小傳輸損耗達到5.7 dB/m。總之，與其他課題小組研究工作相比，本文所提出的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較低的傳輸損耗。

4" 結(jié)束語

綜上所述，本次實驗對太赫茲波導(dǎo)3D打印制備具有重要意義，通過運用本文所提出的太赫茲波導(dǎo)制備方法及相關(guān)實驗設(shè)備，可以有效地測試所成功制備的波導(dǎo)樣品。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，通過運用光固化成型技術(shù)所制備的太赫茲波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)完整、傳輸性能穩(wěn)定、其頻譜始終維持在0.29～0.48 THz，其光譜能量損耗相對較低，遠遠低于常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。

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