CN105500719A - 一种利用3d打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法 - Google Patents

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杨帅
盛新志
张明
林志星
孙翔
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Abstract

本发明提出一种利用3D打印机制备具有锐角结构的太赫兹波导预制棒的方法。该方法首先以计算机制图软件画出太赫兹波导预制棒的立体结构，之后利用3D打印机逐片进行打印成型太赫兹波导预制棒。该方法适用于包括金属或聚合物及其复合超材料等绝大多数太赫兹波导材料，可制作包括三角形及五角星形等具有锐角结构的各种异型横截面结构的太赫兹波导(如附图所示)，增加了结构设计自由度，方便了高熔点金属丝的嵌入，波导纵向结构也可以改变。方法简便，成本低廉，制作出的波导横截面结构丰富，性能优越。本发明适合于大规模工业生产及实验室研究探索应用。

Description

一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法
技术领域：
本发明涉及一种波导预制棒的制作方法，属于太赫兹波导制备的技术领域。主要涉及的是一种以3D打印制备太赫兹波导预制棒的方法。
背景技术
近年来，太赫兹波源和太赫兹波信号探测技术飞速发展，推动太赫兹波技术***的水平不断上升。缺乏有效的太赫兹波导，现有太赫兹波技术***中太赫兹波信号主要依赖于自由空间传播，控制难，损耗大，极大地限制了太赫兹波技术的应用推广。太赫兹波导研究探索创新，已成为目前的一个研究热点。奥克兰大学NurfinaYudasari等人在2014年10月20号光学快报(OPTICSEXPRESS)第26042页至第26054页的文章中公开了利用3D打印技术制作出一种十二个圆形空气孔包围芯区的太赫兹波导,其材料为UV固化的聚合物，未经预制棒阶段而直接打印出来，只适合于工作波长较长的太赫兹波导制作，且横截面结构中空气孔均为无锐角的圆形空气孔，纵向结构无变化，制作材料单一。2013年7月8日，犹他大学ShashankPandey等人在2013年10月21号光学快报(OPTICSEXPRESS)第24422页至第24430页的文章中公开了利用3D打印技术进行带有周期性矩形槽的平板波导、y分支器波导及弯曲波导的制作方法,制作波导横截面结构中空气孔均为无锐角的圆形空气孔，制作材料单一。为拓展太赫兹波导结构设计自由度,迫切需要一种能够简便制作带有锐角结构的横截面且可改变纵向结构的太赫兹波导制作新方法。
发明内容
针对带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导的制作，本发明提出一种利用3D打印机按照波导立体结构逐片打印以形成太赫兹波导预制棒进而拉制成太赫兹波导的方法。该方法极大地简化了制作工艺，降低了带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒的制作成本，为后续拉制出具有优越传输性能的太赫兹波导，提供了很好的基础。
本发明提出的以3D打印制备太赫兹波导预制棒的方法，是通过以下技术方案实现的：
利用计算机制图软件画出太赫兹波导预制棒立体结构；在3D打印机喷头内加入相应的太赫兹波导材料，以3D打印的方式逐片打印，最终打印出太赫兹波导预制棒。其中，太赫兹波导预制棒横截面结构，为具有锐角结构的横截面结构，或为沿预制棒轴向变化的横截面结构；太赫兹波导材料，为聚合物或金属材料，或为聚合物和金属组成的超材料；聚合物材料，为聚苯乙烯或聚氟乙烯或环状丙稀树脂或聚碳酸酷或石墨烯或聚四氟乙烯或环烯烃共聚物(COC)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，或为这些聚合物中的一部分组成的超材料；金属材料，为铜或铝或金或银或锡，或为这些金属中的一部分组成的超材料；沿预制棒轴向变化的横截面结构，为沿预制棒纵向按光栅结构变化的横截面结构，或为沿预制棒纵向按微环谐振腔结构变化的横截面结构；具有锐角结构的横截面结构,为具有三角形或五角星形或六角星形锐角结构的横截面结构。
本发明具有以下显著的有益效果：
1.带锐角横截面微结构的实现，可极大地提升太赫兹波导得结构设计维度，能制作出管束堆积法和组合填充法等传统制作方法难以实现的带有锐角微结构横截面的太赫兹波导预制棒，对于高熔点金属丝在太赫兹波导中的嵌入，各种奇异传输性能太赫兹波导的探索，以及相应功能器件的研制，均提供了更为广阔的天地。
2.极大地简化了具有复杂横截面微结构太赫兹波导的实现工艺。带锐角微结构横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒，按照传统工艺实现难度大。本发明大大简化了相应的实现工艺难度。对带锐角微结构和纵向可变横截面结构太赫兹波导预制棒的拉制，即可实现多种具有复杂横截面结构的太赫兹波导的制作。
3.实现***结构简单，成本低廉。整个实现***，仅需要一台3D打印机和相应的太赫兹波导制作材料，以及配备绘图软件的计算机。
附图说明
图1.1为采用本发明的方法制作的实施例一预制棒立体结构图。
图1.2为采用本发明的方法制作的实施例一预制棒横截面结构图。
图2.1为采用本发明的方法制作的实施例二预制棒的侧视图。
附图标号
1.1为预制棒包层，1.2为预制棒外层空气孔，1.3为预制棒内层空气孔，1.4为预制棒空气芯区，1.5为预制棒内部正五角星结构；
2.1为衬底，2.2为第一级微环谐振腔，2.3为直波导，2.4为光栅结构，2.5为第二级微环谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例一
采用本发明制作太赫兹波导预制棒。
首先，利用AutoCAD软件，按照图1.2所示的设计结构画出太赫兹波导预制棒的横截面，其结构包括预制棒包层1.1，预制棒外层空气孔1.2，预制棒内层空气孔1.3，预制棒空气芯区1.4和预制棒内部正五角星结构1.5。其中，预制棒包层1.1和预制棒内部结构1.5的制作材料均为品牌为ZEONEX的环烯烃共聚物，其余部分均为空气。其中，预制棒直径为11毫米,预制棒包层1.1厚度为0.5毫米,内部正五角星结构1.5的支撑结构板厚度为0.3毫米。然后，将其保存成为平版印刷格式的文件。进而，将该平版印刷格式的文件，经由Objet公司的ObjetEden260VS3D打印机(其分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴1600dpi)自带的转码软件转码为3D打印机的坐标文件。最后，启动ObjetEden260VS3D打印机，按照坐标文件对预制棒进行逐片打印，打印出太赫兹波导预制棒,打印长度为10厘米,即预制棒轴向长度为10厘米。
实施例二
采用本发明制作太赫兹波导预制棒。
利用AutoCAD软件，按照图2.1所示的结构画出太赫兹波导预制棒的侧面，其结构包括衬底2.1，第一级微环谐振腔2.2，直波导2.3，光栅结构2.4，第二级微环谐振腔2.5。第一级微环谐振腔2.2，直波导2.3，第二级微环谐振腔2.5的制作材料均为聚碳酸酯(PC)；光栅结构2.4的制作材料为金属锡。其中，第一级微环谐振腔2.2部分,外圈椭圆长轴为6毫米,内圈椭圆长轴为4.8毫米，内外圈椭圆同心；第二级微环谐振腔2.5部分,外圈椭圆长轴为7.5毫米,内圈椭圆长轴为6毫米，内外圈椭圆同心。光栅结构2.4共20个周期,其光栅周期为0.1毫米；其中，金属锡部分宽度为0.05毫米，即附图中深色部分宽度为0.05毫米；其余尺寸见附图2.1所示。将其保存成为平版印刷格式的文件；再经由Objet公司的Objet303D打印机(其分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴900dpi)3D打印机自带的转码软件，将平版印刷格式的软件，转码为3D打印机的坐标文件；启动3D打印机，将预制棒结构逐片打印于以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)作为材料的衬底2.1之上，衬底2.1尺寸为6毫米×10毫米，单位为毫米。最终，打印成为太赫兹波导预制棒,打印厚度为1毫米。

Claims (9)

1.一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
按照太赫兹波导预制棒立体结构，使用太赫兹波导材料，以3D打印的方式，逐片打印，打印出太赫兹波导预制棒。
2.按权利要求1所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
太赫兹波导预制棒立体结构，其垂直预制棒轴向的横截面结构为具有锐角结构的横截面结构。
3.按权利要求1所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
太赫兹波导预制棒立体结构，其垂直预制棒轴向的横截面结构为沿预制棒轴向变化的横截面结构。
4.按权利要求1所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
太赫兹波导材料，为聚合物或金属材料，或为聚合物和金属组成的超材料。
5.按权利要求4所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
聚合物材料，为聚苯乙烯或聚氟乙烯或环状丙稀树脂或聚碳酸酷或石墨烯或聚四氟乙烯或环烯烃共聚物(COC)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，或为这些聚合物中的一部分组成的超材料。
6.按权利要求4所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
金属材料，为铜或铝或金或银或锡，或为这些金属中的一部分组成的超材料。
7.按权利要求3所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
沿预制棒轴向变化的横截面结构，为沿预制棒纵向按光栅结构变化的横截面结构。
8.按权利要求3所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
沿预制棒轴向变化的横截面结构，为沿预制棒纵向按微环谐振腔结构变化的横截面结构。
9.按权利要求2所述的一种利用3D打印技术制备太赫兹波导预制棒的方法,其特征在于：
具有锐角结构的横截面结构,为具有三角形或五角星形或六角星形锐角结构的横截面结构。
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