这篇论文的研究内容由 Andreea Aura Paraipan 及其团队完成，主要来自于加拿大国家科学研究院（INRS），并发表在《Small Science》期刊上。研究的核心是利用高分辨率3D打印技术，特别是双光子聚合光刻（TPL），制造出用于太赫兹（THz）涡旋光束的螺旋相位板（SPP）。该研究不仅展示了THz技术在光学组件制造中的潜力，还探讨了其在通信、成像和光谱学等领域的应用前景。
在过去的30年中，THz技术取得了显著进展，尤其是在THz辐射的生成和检测方面。这一进展催生了许多新应用，包括光谱学、成像和通信等领域。THz时域光谱（TDS）作为一种强大的技术，能够全面获取材料的光学参数和光谱特征，尤其在工业监测和安全筛查等应用中表现出色。然而，要使THz技术达到成熟阶段，开发有效的光学组件以操控THz辐射至关重要。新兴的THz应用需要高效的光学元件来引导和控制THz光束的特性，如幅度、相位、偏振和轨道角动量（OAM）。近年来，携带OAM的光束引起了广泛关注，促使开发出多种相关设备，这一趋势也扩展到了THz领域。OAM所提供的额外自由度，加上THz辐射的特殊性质，使得THz涡旋光束在THz通信、光学操控手性物质和电子加速等多个应用中展现出良好的前景。
本研究的主要目的是利用TPL技术直接制造高频THz光学组件，特别是螺旋相位板，以生成具有不同拓扑电荷的THz涡旋光束。研究团队设计并制造了两种不同拓扑电荷（l = 1和l = 2）的SPP，并通过定制的快速无扫描THz成像技术对其进行了表征。这种成像技术能够在不同传播距离下获取生成的涡旋光束的相干超光谱分析。研究团队选择了负光刻胶IP-S作为SPP的制造材料，并对其在0.3-2.3 THz频率范围内的THz响应进行了表征。结果显示，在1 THz频率下，IP-S的折射率为1.69，吸收系数为22.5 cm⁻¹。这些光学特性为SPP的设计提供了必要的基础。
在SPP的设计与制造过程中，研究团队使用了Nanoscribe公司的设备，具体是Photonic Professional GT，这是一种基于TPL的商业打印机。该设备能够实现高达140 nm的细节分辨率和低于15 nm的表面粗糙度，适合高频THz设备的制作。研究团队通过扫描聚焦的飞秒激光束在液态IP-S光刻胶中聚合树脂，成功制造出直径为3 mm（l = 1）和5 mm（l = 2）的SPP。制造过程中，研究者们优化了打印参数，包括扫描速度和激光功率，以确保所需的结构精度和质量。
为了表征制造的SPP，研究团队开发了一种无扫描THz成像系统，该系统结合了单像素成像（SPI）方法和单次检测（SSD）技术。SPI方法避免了传统的逐点扫描，从而加快了图像重建速度。SSD技术则通过时间到空间的编码技术，避免了点对点扫描，能够快速获取THz波形。研究团队通过实验和数值模拟对生成的涡旋光束进行了比较。实验结果显示，l = 1和l = 2的涡旋光束在传播7.5 mm后，表现出特征性的暗核和相位分布，验证了SPP的有效性。数值模拟结果与实验结果在定性上良好一致，进一步支持了研究的结论。
尽管本研究在THz光学组件的制造和表征方面取得了重要进展，但仍面临一些挑战和限制。首先，所使用的光刻胶IP-S在THz频率下的吸收损耗较高，限制了SPP的转换效率。研究表明，理想情况下的转换效率约为81%，而考虑材料损耗后，实际效率降至约36%。这表明需要寻找更低损耗的材料，以提高THz光学组件的性能。其次，TPL技术的打印速度较慢，限制了大规模生产的可能性。在本研究中，较大的SPP的打印时间约为38小时。未来的研究需要优化打印参数和技术，以提高生产效率。此外，目前可用于TPL的光刻胶材料有限，且大多数材料在THz范围内表现出较高的损耗。因此，开发新型低损耗的光刻材料是未来研究的重要方向。
本研究展示了TPL在高频THz光学组件制造中的潜力，未来的研究可以在多个方面展开。首先，寻找和开发具有更低THz损耗的新型光刻材料，将是提升THz光学组件性能的关键。研究者们可以探索不同的聚合物和复合材料，以满足高频应用的需求。其次，随着3D打印技术的不断进步，未来可以将TPL技术应用于更复杂的THz光学组件设计中，例如多功能光学器件和集成光学系统。这将推动THz技术在通信、成像和传感等领域的广泛应用。此外，提高TPL的打印速度和效率，使其适用于工业化生产，将是未来研究的重要目标。通过优化打印工艺和设备，研究者们可以实现大规模生产，满足市场需求。
综上所述，团队的研究为THz光学组件的制造和表征提供了新的思路和方法。通过高分辨率的3D打印技术和无扫描成像技术，研究者们成功地制造了用于THz涡旋光束的螺旋相位板，并对其进行了详细的表征。尽管面临材料损耗和打印速度等挑战，但未来的研究将有望克服这些困难，推动THz技术在各个领域的应用。随着3D打印技术的快速发展，TPL方法有望在THz光学领域发挥越来越重要的作用，推动这一领域的创新与进步。
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https://doi.org/10.1002/smsc.202400352
