中空導波管と3Dプリントを組み合わせることで、テラヘルツ研究のボトルネックを打破できる

中空導波管と3Dプリントを組み合わせることで、テラヘルツ研究のボトルネックを打破できる
MEMSコンサルティングによると、テラヘルツ波はミリ波と遠赤外線帯域の間の周波数0.1~10THzの電磁波です。現在、この電磁波の発生、検出、伝送を調査する効果的な手段がないため、「テラヘルツギャップ」(テラヘルツギャップとも呼ばれる)と呼ばれています。テラヘルツ波は、ほとんどの非極性材料を透過する能力と、生物学的高分子の振動および回転エネルギーレベルをカバーする際にイオン化損傷を引き起こさないという利点により、非破壊画像化、バイオメディカル、国家安全保障および防衛などの分野で大きな応用可能性を秘めています。


(a) 中空導波管セグメント、(b) 損失係数の実験結果、(c) 機械的に接合された 90 cm 中空導波管 「0.1 THz 低損失 3D プリント中空導波管」と題された論文で、研究者らは、テラヘルツ レンズ、位相板、導波管などのテラヘルツ機能デバイスを製造するための 3D プリント技術の使用を検討しました。彼らは、3D プリンティングはそのようなデバイスを製造するための低コストでシンプルかつ効率的な方法であると指摘しています。

この論文はPengfei Qi、Weiwei Liu、Weiwei Liuによって執筆され、2018年9月にOPTIK誌に掲載されました。

「低損失誘電体導波管と低コストの3Dプリントを組み合わせることで、テラヘルツ研究のボトルネックを打破し、テラヘルツの遠隔応用を実現できると期待される」と研究者らは説明した。 「この論文では、新しいタイプの 0.1 THz 低損失中空導波管の設計、製造、特性評価に焦点を当てています。理論上の損失値は 0.009 cm?1 と低く、測定された損失値は 0.015 cm?1 です。実験結果では、中空導波管はテラヘルツ波の伝送損失を低減するだけでなく、テラヘルツ場を効果的に特定し、テラヘルツビームの発散角度を制限することも示されています。」


THz-TDS を使用して PLA サンプルを測定する概略図。研究者らはポリ乳酸 (PLA) を使用して中空導波管を作成しました。まず、研究者らは PLA ディスクを 3D プリントして、材料の電磁気パラメータを取得しました。ディスクは Ultimaker 3D プリンターを使用して印刷され、テラヘルツ時間領域分光法 (THz-TDS) を使用して特性評価されました。

研究者らは、「上記の手順が完了したら、中空導波管の設計を開始できます」と説明を続けた。中空導波管の設計手順は以下のとおり。ステップ 1、反共鳴導波管モデルに基づいて導波管断面を設計し、導波管断面の 2 次元グラフを描画する。ステップ 2、2 次元グラフを有限要素シミュレーション ソフトウェア (この研究ではシミュレーション ソフトウェア Comsol Multiphysics を使用) にインポートし、完全整合層 (PML) としてより大きな断面円を描画する。ステップ 3、さまざまな材料と対応する屈折率を選択して設計モデルを確立する。最後に、中空導波路の中央の穴を透過するさまざまなモードの有効屈折率をシミュレーションによって取得します。



(a) 中空導波管の断面、(b) HE11 基本モードの電界分布 次のステップは、長さ 90 cm の中空導波管を 3D プリントして特性評価することです。中空導波管の配置がテラヘルツ波に与える影響を検証するため、研究者らは導波管の端でのテラヘルツ波の発散角を測定し、損失値が0.015 cm?1であることを確認した。実験結果によると、中空導波管は空気中のテラヘルツ波の伝送損失を低減できるだけでなく、テラヘルツ波の位置を効果的に特定できることが示されています。このことから研究者らは、柔軟な長い中空導波管を開発することで、長距離かつ低コストのテラヘルツセンシングとイメージングを実現できると結論付けました。

出典: Weimi.com

シミュレーション、生物学、ソフトウェア、医学、Ultimaker

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