金属導波路アレイと 3D プリント構造に基づくプラグアンドプレイテラヘルツ多機能メタデバイス

出典: MF Precision

メタデバイスの出現により、特に天然素材が不足しているテラヘルツ帯域において、電磁波を操作する前例のない能力がもたらされます。しかし、ほとんどのスーパーデバイスは製造後に機能が固定され、単一機能となるため、さまざまなアプリケーションシナリオに適応することが困難です。これまで提案されたアクティブチューニング方式はメタデバイスの機能を拡張してきましたが、これらの方式は外部の制御可能な励起源に依存しており、システムの制限と複雑さが増しています。さらに重要なのは、従来のテラヘルツデバイスの準備方法は主に半導体技術に基づいており、通常は時間がかかりコストもかかるため、特に低周波テラヘルツ帯域では大きな課題に直面していることです。

近年、新興技術として、投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）は、カスタマイズ、迅速な製造、低コストの大きな成形領域、高い加工精度などの利点により、大型で高精度なテラヘルツデバイスの製造に最適な選択肢となっています。感光性樹脂はテラヘルツ帯で優れた光学特性を示すことは注目に値します。しかし、屈折率が低いため、製造されたメタデバイスは通常単一の機能しか実現できず、多機能チューニングのニーズを満たすことは困難です。したがって、新しい製造ソリューションを通じてメタデバイスの適応性をどのように向上させるかが、テラヘルツ多機能メタデバイスを効率的かつ低コストで製造する上で重要な課題となっています。

この目的のために、南開大学の王暁雷教授の研究チームは、再構成可能な多機能スーパーデバイスプラットフォームを提案しました。このプラットフォームは、金属導波路アレイ (MWA) と 3D プリント構造を統合し、2 つの直交偏光テラヘルツ波の偏光、位相、振幅を独立して同時に操作します。さらに、金属導波路アレイ内の印刷構造の挿入長さを調整することで、異なる伝送チャネルのビーム振幅を柔軟に制御できます。関連する結果は、「金属導波路アレイと 3D プリント構造に基づくプラグアンドプレイテラヘルツ多機能メタデバイス」というタイトルで、Virtual and Physical Prototyping 誌に掲載されました。南開大学現代光学研究所の博士課程学生である胡昊氏が第一著者であり、王暁雷教授が責任著者である。

具体的には、研究チームは金属孔の異常な透過、導波路透過効果、等価媒質理論に基づいて、金属孔と誘電体柱の組み合わせを単位セルとして使用してスーパーデバイスを設計しました。この設計では、金属穴の幾何学的特性と誘電体柱のパラメータが共同して共振条件を決定します。これら 2 つのパラメータを調整することで、異なる偏光チャネルの透過率と位相遅延を正確に制御できます。本研究では、金属穴アレイのサイズを固定するという前提の下、偏光選択、ビーム偏向、およびデュアルチャネルイメージング機能を備えたメタデバイスを設計しました。 3D プリントされた構造を交換することで、スーパーデバイスをさまざまな機能間で再構成できます (図 1 を参照)。

図1 金属導波路アレイと3Dプリント構造を統合したテラヘルツ再構成可能多機能スーパーデバイスプラットフォームの概略図

この設計を検証するために、ワイヤーカット放電加工技術を用いて金属アルミニウム導波路アレイを製造し、MCF精密microArch®S350（精度：25μm）3Dプリント装置を用いて、周期2.7mm（0.9λ）、高さ5mm（≈1.67λ）の16×16ユニットからなる3Dプリント構造（耐高温感光性樹脂）を準備しました。図 2 は、表面投影マイクロステレオリソグラフィーの印刷原理の概略図と、3D 印刷された構造と統合メタデバイスの物理的画像を示しています。研究者らは、連続テラヘルツ波光測定システムを構築することで、統合メタデバイスの特性を明らかにしました。測定結果はシミュレーション結果と一致し、異なる機能間の再構築が達成され、設計方法の有効性が検証されました（図3-5を参照）。

さらに、メタデバイスは 0.1 THz の単一周波数テラヘルツ源用に設計されていますが、ユニット構造をスケーリングすることで他のテラヘルツ帯域にも適応できます。同時に、金属導波路アレイも 3D プリント技術によって製造できます。

図2 PμSL印刷原理の模式図と3Dプリント構造と統合スーパーデバイスの実画像

図3 直交偏光テラヘルツ波の独立偏光制御

図4 直交偏光テラヘルツ波の独立位相操作

図 5. 直交偏光テラヘルツ波の位相と振幅の同時かつ独立した操作。

印刷された構造を置き換えることで機能の再構築を実現するだけでなく、このスーパーデバイスの独自のプラグインの組み合わせ設計により、制御の自由度も高まります。図 6 に示すように、挿入長と抽出長が変化すると、異なる偏光チャネルの透過率は異なる傾向を示します (印刷構造 A を例に挙げています)。挿入長と除去長を調整することで透過スペクトルを変調することは、光センサーや適応光学システムにとって非常に重要な動的波面変調への応用が期待されています。

図6 印刷構造と金属導波路アレイ間の挿入および抽出長さの変化の影響

要約すると、本研究では新しいモジュール設計方法を提案し、テラヘルツ再構成可能多機能メタデバイスの開発に重要な理論的および技術的サポートを提供しました。この設計アプローチは、多機能統合を容易にするだけでなく、特にレーダー、無線通信、イメージングなどの大規模アプリケーションにおいて、テラヘルツメタデバイスを効率的かつ低コストで製造するための新しいアイデアも提供します。

この研究は中国国家自然科学基金の支援を受けて行われました。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2430335

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