近年来，太赫兹（THz）波作为介于微波与红外光之间的电磁辐射，因其独特的物理特性在多个学科领域引发了广泛的研究兴趣。开发小型化、集成化的实用太赫兹系统是该领域的一个重要目标，其进展在很大程度上依赖于太赫兹探测器、调制器、开关及吸收器等核心微型元器件的技术进步。超材料（Metamaterials）作为一种通过人工设计亚波长结构单元来排列构成的新型复合材料，能够表现出许多自然材料所不具备的超常电磁与光学特性，例如负折射率、反常多普勒效应以及左手行为等，这些特性为在无线电波至光波范围内自由调控电磁波提供了可能。电磁超材料的出现与发展，极大地增强了对太赫兹波前、振幅及相位的调控能力，为推进太赫兹技术走向实用化提供了关键机遇。
       然而，随着超材料设计日趋复杂多样，以及由超材料构成的太赫兹系统集成度不断提高，其制造加工面临着越来越大的挑战。传统上，加工适用于太赫兹波段的超材料结构主要依赖光刻与刻蚀技术，但这些方法工艺流程繁琐、成本高昂，且在制造三维空腔或球形等复杂构型时存在明显局限。增材制造技术的兴起为超材料的制备开辟了新路径。在众多3D打印工艺中，虽然喷墨打印、立体光刻（SLA）、熔融沉积成型（FDM）及直接激光写入（DLW）等技术应用广泛，但它们通常难以满足太赫兹超材料对极高打印精度和表面质量的要求。

       基于此，中国计量大学信息工程学院井绪峰教授和洪治研究员等人设计和实验制备了一种基于二氧化钒相变调控的花瓣状超材料吸波器，并利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术与超声喷涂薄膜法结合的方法制备两款共形超材料样品。这两种方法的结合可以实现高精度复杂超材料样品的制备，对微纳领域可调谐超材料器件的研究提供了一定的帮助。研究成果以“3D Printed Metamaterial Absorber Based on Vanadium Dioxide Phase Transition Control Prepared at Room Temperature”为题发表在国际著名学术期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》上。
 

图1展示了该研究设计的两种共形超材料结构：平面型结构与半球形结构。这两种结构在宏观上有平面型和半球形的差异，但是在微观超材料周期单元上均为相同的花瓣状超材料结构。平面型结构和半球形结构的3D打印样品结构清晰且完整。图2为摩方精密microArch® S230（精度：2μm）3D打印花瓣状超材料吸波器的流程以及超声喷涂法涂覆二氧化钒薄膜的制备流程。在该研究中，超材料样品使用的是光学精度2μm，层厚5μm的高精度低层厚的摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术。在制备完成的超材料样品表面，使用超声波喷涂设备在室温下进行二氧化钒纳米墨水超声喷涂工艺。图3利用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）对制备样品进行了性能表征。在实验测试过程中，采用了一种特殊的加热方式——非接触式加热法。非接触式加热法是通过加热样品周围的空气，使得整个样品处于一个温度恒定的空间中，样品的温度可控、变化稳定且受热均匀。同时，加热装置不与样品接触，从而避免了其对样品测试性能的影响。
 

      在二氧化钒处于绝缘态时，超材料吸波器的模拟吸收效果基本为0，当其处于金属态时，超材料吸波器的吸收峰值可达99.5%，巨大的吸收差异显示了其优异的调制性能。实验结果显示，当二氧化钒处于绝缘态时，超材料样品的吸收率基本为0，当二氧化钒处于金属态时，超材料样品的吸收率随着频率的升高而增强，峰值吸收率约为~ 0.937。在0 ~ 45°范围内，半球形超材料样品的吸收性能并未随着入射角度的改变而明显变化，这意味着制备的半球形超材料样品对于入射角度是不敏感的。实验结果与仿真计算的高度吻合证明了本研究方法的稳定性。该方法为太赫兹可调谐超材料器件的设计、制备与测试提供了新的方案，在太赫兹调制器、隐身器件、光开关等领域具有极大的应用前景。
 

原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401673

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