基于3D打印的太赫茲波導成型技術研究

摘" 要：為提高太赫茲波導結構設計質量，保證多個波導機械連接獲得良好的傳輸性能，現提出一套太赫茲波導3D打印制備方案。首先，介紹太赫茲時域光譜系統。其次，從光固化成型技術原理、RSpro600打印機及其成型材料、光敏樹脂的材料參數表征等方面入手，利用光固化成型技術，完成對太赫茲波導的制備。最后，從波導制備、實驗分析2個方面入手，分析空芯微波布拉格波導的3D打印結果。結果表明，運用光固化成型技術所制備的太赫茲波導具有結構完整、傳輸性能穩定、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，遠遠低于常規支撐結構的波導。希望通過這次研究，為相關人員提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：太赫茲（THz）波導；3D打印；成型技術；傳輸；支撐

中圖分類號：TN814" " " 文獻標志碼：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結構的穩定性。目前，傳統堆積-拉絲法存在一定的局限性，容易在拉絲期間，因遇到高溫環境而出現明顯形變現象。當所制作的太赫茲波導器件結構比較復雜時，會增加其制備的難度系數，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，所以太赫茲波導的尺寸相對較大，無須同對波導表面質量提出了更高的要求。而光固化成型技術作為一種新型、先進的3D打印制備技術，具有成型高效、操作高效、成本低等特點，被廣泛地應用于太赫茲波段領域中。現階段，通過運用光固化成型技術，可以實現對多種太赫茲波導器件的成功制備，同時，所獲得的太赫茲傳輸性能測量結果完全接近于仿真結果。所以，為了保證太赫茲波導成型制備質量，加強對太赫茲波導3D打印制備顯得尤為重要。

1" 太赫茲時域光譜系統

在太赫茲時域光譜系統的應用背景下，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型號為BT-FTS5500，該系統的成像分辨率遠遠低于0.6 mm，其深度通常設置為11 um，另外，該系統的光譜最小值為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測量。該系統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信息。②波導測量探頭。波導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，通過將其應用到本次波導實驗中，并選用合適的透射方式，對波導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，要科學調整和控制實驗室內空氣濕度。為了降低周圍環境對太赫茲脈沖的吸收程度，需要將玻璃罩搭建于該系統內，確保檢測系統誤差降到最低。另外，通過運用超短脈沖激光，可以產生大量的太赫茲波，并利用立軸拋面鏡，將這些太赫茲波直接照射到待測波導上，然后再利用光學系統，將透射處理后的太赫茲波傳輸到探測模塊中，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。在此基礎上，結合數據矯正處理情況，利用分析電腦顯示所需要的測量參數。

2" 光固化成型技術制備太赫茲波導

2.1" 光固化成型技術原理

現階段，光固化成型技術作為一種常用的3D打印技術，具有層厚控制精確度高、成型件結構穩定、表面光滑等特點，當太赫茲波導結構屬于復雜的三維結構時，通過運用光固化成型技術，可以最大限度地提高復雜結構太赫茲波導打印結果的精確度[4]。

光固化成型技術在實際運用中，通過利用液態樹脂和紫外燈，可以實現由液態向固體一系列的聚合反應。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域[5]，粗輸出經過紫外光照射的區域逐漸被固化，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，最終采用層層累積覆蓋的方式，獲得相應的成品。光固化成型技術的基本原理如圖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，并將其保存格式統一設置為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的二維數據。同時，還要結合所規劃好的打印路徑，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生的激光束，統一照射液態光敏樹脂首次斷面區域[6]，從而保證固化反應效果。在此基礎上，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。總之，光固化工藝的運用，可以保證層厚控制的精確度，確保所制備的成型件具有結構穩定、表面光滑特點，這為后期科學地制備太赫茲波導，確保太赫茲波導具有傳輸損耗低、壁厚薄等特點，提供重要的依據和參考。

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的應用背景下，利用3D打印機，對太赫茲波導進行制備和設計[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。利用所設置好的波導結構參數，將所需控制軟件直接導入到打印機內，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器件具有質量高、性能穩定等特點[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，還要嚴格按照光固化成型相關標準和要求，將加工材料直接放置到紫外光照射環境下，確保其能夠快速發生一系列的固化反應，這是由于光源點表現出較快的位移速度，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，從而出現軟化現象，導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，要適當地降低加工材料對自然光的敏感度，避免加工材料出現變質、固化現象，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樹脂，對紫外光表現出較高的敏感度[10]，為了保證光固化成型加工質量，將光敏樹脂材料直接納入到目前實用、經濟的光固化成型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表征

為了進一步地提高太赫茲波導設計質量，在進行實驗制備期間，要保證波導樣品光學屬性接近于數值模擬后的波導光學屬性，這是由于波導材料光學屬性一旦控制不當，會對波導傳輸特性產生不良影響。在正式進入太赫茲波導結構設計之前[11]，要確定出光敏樹脂材料的吸收系數，這為后期設計仿真太赫茲波導器件結構及相關光譜參數計算提供重要的依據和參考。本文通過運用太赫茲時域光譜系統，對光敏樹脂材料的吸收系數進行測量和計算，為后期相關設計工作的開展打下堅實的基礎。在這個過程中，首先在光固化成型技術的應用背景下，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，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，確保室內含有少量的水蒸氣，只有這樣，才能避免對太赫茲波傳輸產生不良影響。其次，要在全面化、精確化測試實驗背景環境的基礎上，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的3D打印結果

3.1" 波導制備

現階段，比較常用的波導制備3D打印技術是光固化成型技術，通過運用該技術，不僅可以保證波導打印精度，還能確保所制備的波導樣品具有結構完整、表面光滑等特點[12]，同時其內部支撐材料可以完全去除。對于級聯波導而言，其軸向排列方式主要選用了如圖2所示的波導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，整個支撐條波導單元長度所占比例相對較小，通過選用階梯狀的排布方式，可以確保空氣層所產生的支撐力量全部作用于波導前端，波導末端由于缺乏機械支撐力，很容易出現明顯的形變。由此可見，在設計波導軸向期間，通過選用拱橋形排布方式，可以確保機械支撐結構的穩定性和可靠性，從而起到降低波導結構形變的作用。

波導傳輸損耗會隨著波導壁厚不斷降低，而呈現出不斷降低的趨勢，這個規律會增加波導制備的困難度。去除較薄壁厚材料時，一旦遇到較大沖洗力度的水槍，會導致整個波導微結構出現明顯形變現象，甚至還會出現斷裂現象。另外，在人工去除支撐材料防水的應用背景下，可以確保結構變形程度降到最低，但是會因材料去除不徹底而降低波導制備精度。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，該材料表現出較高的吸收系數，為了確保波導傳輸損耗降到最低，使得波導打印質量得以大幅度提高，要在參照原有波導參數的基礎上，對其進行科學化改進，從而完成對較大尺寸級聯波導結構的設計。較大尺寸級聯波導結構參數見表1。

經過改進后，當級聯波導處于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。當級聯波導頻率達到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，此時級聯波導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長度的波導樣品主要包含2種，一種是級聯波導，另一種是常規支撐結構波導。

通過精細化測量，得到表2所示的波導設計值與測量值。從表2中的數據可以看出，所制備的波導尺寸測量值與尺寸設計一致，這說明打印偏差始終處于3D打印機精度預控公差范圍內。

3.2" 實驗分析

在太赫茲時域光譜系統的應用背景下，采用實驗測量的方式，對所制備好的波導樣品進行精確化測量。級聯波導與常規結構波導的頻譜曲線對比圖如圖3所示。從圖3中可以看出，當波導處于0.29～0.48 THz頻譜范圍時，與常規支撐結構波導相比，本文所設計的級聯波導所含有的能量損耗相對較小，甚至，處于高頻段的波導傳輸損耗與參考掃描線相接近。導致出現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誤差。

典型太赫茲微結構最小傳輸損耗與傳輸損耗對比結果見表3、表4。從表3、表4中的數據可以看出，在光固化成型技術的應用背景下，當本文所制備的級聯波導頻率范圍為0.146～0.467 THz時，其傳輸損耗相對較低，遠遠低于1 dB，當級聯波導頻率達到0.426 THz時，其級聯波導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，本文所提出的波導結構表現出較低的傳輸損耗。

4" 結束語

綜上所述，本次實驗對太赫茲波導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制備方法及相關實驗設備，可以有效地測試所成功制備的波導樣品。經過測試發現，通過運用光固化成型技術所制備的太赫茲波導具有結構完整、傳輸性能穩定、其頻譜始終維持在0.29～0.48 THz，其光譜能量損耗相對較低，遠遠低于常規支撐結構的波導。

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