超导超构材料及亚波长小孔阵列的太赫兹光谱研究
王晓冬 田永红 徐帆 苗昕扬 赵昆
摘 要： 近年来，太赫兹时域光谱技术作为一种新型的光谱分析手段成为研究的热点。太赫兹波在塑料材料检测的优势，可以作为塑料材料鉴别的新方法。本文研究了太赫兹波通过不同形状3D打印ABS材料的光谱特性，讨论了太赫兹波通过不同形状样品的时间和厚度随测量点变化趋势，结果表明太赫兹波通过不同形状ABS材料的时间和厚度正相关；同时，得到了3D打印ABS材料的折射率。实验结果对于研究不同形状ABS材料与太赫兹波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定帮助。
关键词： 太赫兹时域光谱；3D打印；ABS材料
中国分类图号：TB322
0 引言
3D打印技术是一种通过材料的逐渐堆积来实现制造的技术。它通过将计算机将成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，使用3D打印设备自下而上加工出三维的实体零件。[1]随着工业技术的进步，3D打印技术得到迅速发展并得到媒体的广泛关注。目前3D打印已经被用于航空航天、生物医疗、新材料、新能源等众多领域和行业。[2]
ABS是Acrylonitrile-Butadine-Styrene（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）的缩写。ABS塑料是目前FDM桌面3D打印机应用最早，产量最大的打印耗材。ABS塑料具有耐热性、抗冲击性、耐化学腐蚀及制品尺寸稳定等优点，在机械、电子电器、仪表仪器等不同行业有着广泛的应用。[3]近年来，随着我国国民经济的高速增长，ABS树脂的生产和消费也呈现出了飞速的发展。但我国ABS树脂的生产能力还不能满足国内生产实际的需求，每年都得大量进口，开发利用前景广阔。2015-2016年的世界塑料工业进展的相关资料表明，工程塑料的需求增长率普遍高于通用塑料，苯乙烯类共聚物ABS等的需求增长率高达4.1%。[4]
太赫兹时域光谱技术在塑料材料的检测方面有着很大优势。2010年，王鹤、赵国忠利用太赫兹时域光谱技术研究了5种不同塑料的透射谱，得到了5种塑料的吸收谱和折射率的色散特性。[5]2014年，S F Busch等人对ABS、PLA、Nylon、Bendlay、Polystyrene、HDPE、PP等7种不同的3D打印的材料进行了研究，获得了7种材料的折射率谱，吸收谱。[6]此外，3D打印的太赫兹光学器件也进行了相关方面的研究。[7]。随着科学技术的迅速发展，3D打印技术和太赫兹时域光谱技术在塑料研究中的应用会对现有的生产工艺和产品的检测带来新的机遇和挑战。
1实验
1.1样品设计及制备
本实验采用FDM成型工艺的3D打印技术制作样品，所用的样品首先通过ProE5.0软件绘制3D物理模型，并转化输出为stl格式文件。然后将相应的stl文件格式导入3D打印机，设置好打印机的相关参数如打印品质-优良、内部填充密度-坚硬（90%）、外壳-一般壳层、打印厚度-0.2、打印速度-标准等基本参数化后，使用3D打印机独立工作将所需样品打印出来。设计和打印出来的样品如1（a）、1（b）所示。
1.2实验测试装置
透射式THz-TDS检测实验使用的系统装置由大恒光电公司制造的THz系统组成，其飞秒激光器的重复频率为80MHz，脉冲宽度小于100fs，中心波长为800nm，输出功率为960mW。利用该系统可以测试。实验在室温约为21？C（约294K）下进行。
实验中将样品置于实验位移平台上，调整样品与太赫兹波垂直角度，固定样品。开启THz-TDS测量程序后，设置好相关参数，开始扫描，每一次扫描完成后，计算机采集并保存测量区域中每个测试点的时域谱信息。每次测量结束后，朝同方向使位移平台移动1mm，使太赫兹波通过样品的不同位置，为确保样品全部被测量，测量从位于样品一侧的空气当中的开始测量，到样品另一侧的空气中结束为止。
2结果与讨论
图2（a）（b）（c）分别为不同形状ABS材料的S1、S2、S3样品的太赫兹时域谱，时域谱中包含丰富的振幅和相位信息。从图中可以看出，太赫兹波在空气中出现峰值的时间为1.9333ps，对应的空气中幅值0.0107；太赫兹波通过厚度为6mm样品的时间为14.3333ps，通过厚度为1mm的样品时间为3.8667ps。由于太赫兹波在样品中的折射率大于在空气中的折射率，且不同填充度下相同厚度的样品的折射率有所不同，因此太赫兹波通过样品振幅会有明显的下降，且不同厚度的样品振幅下降各不相同，说明太赫兹波在不同厚度样品中的损耗各不相同，样品各波形在时间上均有延迟，同时，样品的色散也造成时域波形的展宽。此外，太赫兹波通过不同样品不同位置的时间和幅值变化呈现出一定的规律。对样品S1、S2，太赫兹波通过样品时间先减小，后增大；对样品S3，太赫兹波通过样品时间先增大，后减小；整体表现出与样品的厚度变化一致的趋势。
为了更加清楚的研究厚度对太赫兹波通过时间的影响，我们提取了太赫兹波通过不同形状样品的时间，并通过不同样品的曲线方程得到相应厚度，结果如图2（d）（e）（f）所示。
图2（d）（e）（f）分别为太赫兹波通过样品S1、S2、S3的延迟时间、厚度随测量点位置变化的规律，从图中可以看出，太赫兹波通过相同厚度的时间相同，同时，延迟时间和厚度随测量点位置的变化趋势一致，两者表现出正相关性，即厚度减小，延迟时间减小；厚度增大，延迟时间增大。
此外，通过对时域谱数据进行快速傅里叶变换，得到了3D打印ABS材料的折射率谱，结果如图3所示。
图3为太赫兹波透过样品S3厚度为1mm处0.4-1.6THz的折射率。 从图中可以看出，在0.4-1.6THz范围内，3D打印ABS材料的折射率随着频率增加略有减小的趋势，样品的平均为1.56。
3 结论
本文采用透射式THz-TDS研究了3种不同形状的3D打印ABS材料的光谱特性，结果表明，太赫兹波通过不同形状的ABS材料的时间与厚度正相关。此外，我们还获得了3D打印ABS材料在0.4-1.6THz的折射率谱。结果对于研究不同形状ABS材料与太赫兹波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定依据。
参考文献
[1]张学军等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，2（44）：122-128；
[2]兰红波，李涤尘，卢秉恒.微纳尺度3D打印.中国科学：技术科学，2015， 9（45）：919–940.
[3]马亚清，庞永艳.阻燃ABS树脂的发展现状及未来展望[J].塑料助剂，2014，2：1-5.
[4]许江菱等.2015-2016年世界塑料工业进展[J].塑料工业，2017，3（45）：1-44；
[5]王鹤，赵国忠.几种塑料的太赫兹光谱检测[J].光子学报，2010，7（39）：1185-1188.
[6]S F Busch， Marcel Weidenbach， J C Blazer， et al. THz Optics 3D Printed with TOPAS[J]. Journal of Infrared， Millimeter， and Terahertz Waves（2016），37：303-307.
[7]楊晶，龚诚等.利用3D打印技术制备太赫兹器件[J].中国光学，2017，1（10）：77-85.
